KR20220070439A - Systems and methods for providing haptic guidance - Google Patents

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KR20220070439A
KR20220070439A KR1020227009167A KR20227009167A KR20220070439A KR 20220070439 A KR20220070439 A KR 20220070439A KR 1020227009167 A KR1020227009167 A KR 1020227009167A KR 20227009167 A KR20227009167 A KR 20227009167A KR 20220070439 A KR20220070439 A KR 20220070439A
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KR
South Korea
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tool
virtual
robotic device
haptic
force
Prior art date
Application number
KR1020227009167A
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Korean (ko)
Inventor
마크 내드자디
리샤브 쿠라나
Original Assignee
마코 서지컬 코포레이션
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Publication date
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    • A61B2090/065Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension for measuring contact or contact pressure

Abstract

방법은 가상 대상을 정의하는 단계 및 수술 도구의 가상 표현과 연관된 제1 지점 및 제2 지점을 정의하는 단계를 포함한다. 수술 도구의 가상 표현의 이동은 실제 공간에서의 수술 도구의 움직임에 해당한다. 방법은 제1 지점을 가상 대상에 구속하기 위해 수술 도구에 결합된 로봇 디바이스를 제어하는 단계, 제1 지점이 가상 대상을 따라 임계 위치에 있는 것을 결정하는 단계, 및 제2 지점을 가상 대상으로 안내하기 위해 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함한다.The method includes defining a virtual object and defining first and second points associated with the virtual representation of the surgical tool. The movement of the virtual representation of the surgical tool corresponds to the movement of the surgical tool in real space. The method includes controlling a robotic device coupled to a surgical tool to constrain a first point to a virtual object, determining that the first point is at a critical position along the virtual object, and guiding a second point to the virtual object and controlling the robot device to do so.

Description

햅틱 안내를 제공하기 위한 시스템 및 방법Systems and methods for providing haptic guidance

관련 출원에 대한 상호 참조CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

본 출원은 그 전체 개시내용이 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 2019년 10월 1일자로 출원된 미국 가출원 제62/908,890호의 이익과 우선권을 주장한다.This application claims the benefit and priority of U.S. Provisional Application Serial No. 62/908,890, filed on October 1, 2019, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

본 개시는 일반적으로 정형외과 수술을 위한 수술 시스템, 예를 들어, 관절 치환술을 돕는 수술 시스템에 관한 것이다. 관절 치환술(관절 성형술)은 관절의 일부를 보철 구성요소로 교체함으로써 환자의 관절에 대한 골관절염 및 다른 손상을 치료하는 데 널리 사용된다. 관절 치환술은 고관절, 무릎, 어깨 또는 다른 관절을 하나 이상의 보철 구성요소로 교체하는 절차를 포함할 수 있다. The present disclosure relates generally to surgical systems for orthopedic surgery, eg, surgical systems to aid in joint replacement surgery. Arthroplasty (arthroplasty) is widely used to treat osteoarthritis and other damage to a patient's joint by replacing part of the joint with prosthetic components. Joint replacement surgery may include a procedure in which a hip, knee, shoulder, or other joint is replaced with one or more prosthetic components.

관절 성형술 절차에 사용하기 위한 한 가지 가능한 도구는 로봇 보조 수술 시스템이다. 로봇 보조 수술 시스템은 전형적으로 임플란트를 수용하기 위해 환자의 해부학적 구조를 준비하는 데 사용되는 로봇 디바이스, 환자의 해부학적 구조에 대한 로봇 디바이스의 위치를 모니터링하도록 구성된 추적 시스템, 및 로봇 디바이스를 모니터링하고 제어하도록 구성된 컴퓨팅 시스템을 포함한다. 다양한 형태의 로봇 보조 수술 시스템은 수술 작업을 자율적으로 수행하고, 수술 작업을 완료하기 위해 수술 장치를 조작하는 사용자에게 힘 피드백을 제공하고, 외과의사의 손재주와 정밀도를 높이고, 안전하고 정확한 수술 작업을 용이하게 하기 위해 다른 탐색 신호를 제공한다.One possible tool for use in arthroplasty procedures is a robot-assisted surgical system. Robot-assisted surgical systems typically monitor a robotic device used to prepare a patient's anatomy for receiving an implant, a tracking system configured to monitor the position of the robotic device relative to the patient's anatomy, and the robotic device and and a computing system configured to control. Various types of robot-assisted surgical systems can autonomously perform surgical tasks, provide force feedback to users operating surgical devices to complete surgical tasks, increase surgeon dexterity and precision, and ensure safe and accurate surgical operations. Another search signal is provided to facilitate.

로봇 보조 수술 시스템으로 수술 절차를 수행하기 전에 수술 계획이 일반적으로 수립된다. 수술 계획에 따라 수술 시스템은 수술 절차의 일부 동안 수술 도구의 이동을 안내, 제어 또는 제한한다. 수술 도구의 안내 및/또는 제어는 수술 계획을 실행하는 동안 외과의를 보조하는 역할을 한다. A surgical plan is usually established prior to performing a surgical procedure with a robot-assisted surgical system. Depending on the surgical plan, the surgical system guides, controls, or restricts movement of surgical instruments during part of the surgical procedure. Guidance and/or control of the surgical instruments serves to assist the surgeon during the execution of the surgical plan.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 임플란트 구성요소를 수용하도록 준비된 대퇴골의 사시도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 수술 시스템의 예시이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제1 프로세스의 흐름도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제2 프로세스의 흐름도이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 도 4의 프로세스의 예시이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제3 프로세스의 흐름도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 도 6의 프로세스에 사용될 수 있는 가상 제어 대상의 예시이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제4 프로세스의 흐름도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제5 프로세스의 흐름도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 도 9의 프로세스에 사용될 수 있는 가상 제어 대상의 예시이다.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제6 프로세스의 흐름도이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제7 프로세스의 흐름도이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 도 2의 수술 시스템에 의해 수행될 수 있는 제8 프로세스의 흐름도이다.
1 is a perspective view of a femur prepared to receive an implant component in accordance with an exemplary embodiment.
2 is an illustration of a surgical system in accordance with an exemplary embodiment.
3 is a flow diagram of a first process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 in accordance with an exemplary embodiment.
4 is a flow diagram of a second process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 in accordance with an exemplary embodiment.
Fig. 5 is an illustration of the process of Fig. 4 according to an exemplary embodiment.
6 is a flow diagram of a third process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
Fig. 7 is an illustration of a virtual control object that may be used in the process of Fig. 6 according to an exemplary embodiment.
Fig. 8 is a flow diagram of a fourth process that may be performed by the surgical system of Fig. 2 in accordance with an exemplary embodiment.
9 is a flow diagram of a fifth process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
Fig. 10 is an illustration of a virtual control object that may be used in the process of Fig. 9 according to an exemplary embodiment.
11 is a flow diagram of a sixth process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
12 is a flow diagram of a seventh process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.
13 is a flow diagram of an eighth process that may be performed by the surgical system of FIG. 2 according to an exemplary embodiment.

발명의 내용content of the invention

본 개시의 일 구현은 로봇 디바이스를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 가상 대상을 정의하는 단계 및 수술 도구의 가상 표현과 연관된 제1 지점 및 제2 지점을 정의하는 단계를 포함한다. 수술 도구의 가상 표현의 이동은 실제 공간에서의 수술 도구의 이동에 대응한다. 방법은 제1 지점을 가상 대상에 제한하기 위해 수술 도구에 결합된 로봇 디바이스를 제어하는 단계, 제1 지점이 가상 대상을 따른 임계 위치에 있다고 결정하는 단계 및 제2 지점을 가상 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함한다.One implementation of the present disclosure relates to a method for controlling a robotic device. The method includes defining a virtual object and defining first and second points associated with the virtual representation of the surgical tool. Movement of the virtual representation of the surgical tool corresponds to movement of the surgical tool in real space. The method includes controlling a robotic device coupled to a surgical tool to confine a first point to the virtual object, determining that the first point is at a critical position along the virtual object, and the robot to guide a second point to the virtual object. controlling the device.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신할 수 있는 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 회로는 가상 대상을 정의하고 수술 도구의 가상 표현과 연관된 제1 지점 및 제2 지점을 정의하도록 구성될 수 있다. 처리 회로는 수술 도구의 가상 표현의 이동이 실제 공간에서의 수술 도구의 이동에 대응하도록 구성된다. 처리 회로는 제1 지점을 가상 대상으로 제한하고, 제1 지점이 가상 대상을 따라 임계 위치에 있다고 결정하고, 제2 지점을 가상 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하기 위해 수술 도구에 결합된 로봇 디바이스를 제어하도록 추가로 구성된다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry capable of communicating with the robotic device. The processing circuitry may be configured to define a virtual object and define first and second points associated with the virtual representation of the surgical tool. The processing circuitry is configured such that movement of the virtual representation of the surgical tool corresponds to movement of the surgical tool in real space. the processing circuitry is coupled to the surgical tool to control the robotic device to limit the first point to the virtual object, determine that the first point is at a critical position along the virtual object, and guide the second point to the virtual object is further configured to control

본 개시의 또 다른 구현은 도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 햅틱 대상에 기초하여 수술 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계; 신호 및 사용자 정의 방향을 수신하는 단계; 및 제1 햅틱 대상을 사용자 정의 방향으로 확장함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계를 포함한다.Another implementation of the present disclosure relates to a method of operating a robotic device to which a tool is coupled. The method includes controlling the robotic device to constrain the surgical tool based on the first haptic object; receiving a signal and a user-defined direction; and adjusting the haptic control interaction in response to the signal by expanding the first haptic object in a user-defined direction.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신할 수 있는 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 회로는 제1 햅틱 대상에 기초하여 수술 도구를 제한하고, 신호 및 사용자 정의 방향을 수신하고, 사용자 정의 방향으로 제1 햅틱 대상을 확장함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하도록 로봇 디바이스를 제어하도록 구성된다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry capable of communicating with the robotic device. The processing circuitry configures the robotic device to adjust the haptic control interaction in response to the signal by confining the surgical tool based on the first haptic object, receiving a signal and a user-defined direction, and extending the first haptic object in the user-defined direction. configured to control.

본 개시의 또 다른 구현은 도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 햅틱 대상에 기초하여 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계, 신호 및 사용자 정의 방향을 수신하는 단계, 및 도구의 가상 치수를 조절함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계를 포함한다.Another implementation of the present disclosure relates to a method of operating a robotic device to which a tool is coupled. The method includes controlling the robotic device to constrain a tool based on a first haptic object, receiving a signal and a user-defined direction, and adjusting a haptic control interaction in response to the signal by adjusting a virtual dimension of the tool. includes

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신가능한 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 회로는 로봇 디바이스를 제어하여 제1 햅틱 대상에 기초하여 도구를 제한하고, 신호 및 사용자 정의 방향을 수신하고, 및 도구의 가상 치수를 조절함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절한다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry communicable with the robotic device. The processing circuitry controls the robotic device to constrain the tool based on the first haptic object, receive a signal and a user-defined orientation, and adjust the haptic control interaction in response to the signal by adjusting a virtual dimension of the tool.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 로봇 디바이스에 결합된 도구의 이동을 추적하는 단계, 도구의 이동 방향을 결정하는 단계, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지의 여부를 결정하는 단계, 및 이동 방향이 가상 제어 대상을 향한다는 결정에 응답하여, 도구를 가상 제어 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함한다.Another implementation of the present disclosure relates to a method of operating a robotic device. The method includes tracking movement of a tool coupled to a robotic device, determining a direction of movement of the tool, determining whether the direction of movement is toward a virtual control object, and determining that the direction of movement is toward a virtual control object. in response, controlling the robotic device to guide the tool to the virtual control object.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신할 수 있는 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 회로는 로봇 디바이스에 결합된 도구의 이동을 나타내는 추적 데이터를 수신하고, 도구의 이동 방향을 결정하고, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지의 여부를 결정하고, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지의 결정에 응답하여 가상 제어 대상에 도구를 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하게 구성된다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry capable of communicating with the robotic device. The processing circuitry receives tracking data indicative of movement of a tool coupled to the robotic device, determines a direction of movement of the tool, determines whether the direction of movement is toward the virtual control object, and determines whether the direction of movement is toward the virtual control object. and in response to the determination, control the robotic device to guide the tool to the virtual control object.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스를 작동하는 방법에 관한 것이다. 방법은 로봇 디바이스에 결합된 도구를 추적하는 단계, 가상 제어 대상 내에서 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계, 가상 제어 대상의 구역을 정의하는 단계, 도구가 구역에 있는지 결정하는 단계, 및 구역에서 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함한다.Another implementation of the present disclosure relates to a method of operating a robotic device. The method includes tracking a tool coupled to the robotic device, controlling the robotic device to constrain the tool within the virtual control object, defining a zone of the virtual control object, determining whether the tool is in the zone, and the zone. and controlling the robotic device to resist movement of the tool in the .

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신할 수 있는 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 회로는 로봇 디바이스를 제어하여 가상 제어 대상 내에서 도구를 제한하고, 가상 제어 대상의 구역을 정의하고, 도구가 구역 내에 있는지 결정하고, 구역에서 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하도록 구성된다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry capable of communicating with the robotic device. the processing circuitry is configured to control the robotic device to limit the tool within the virtual control object, define a zone of the virtual control object, determine whether the tool is within the zone, and control the robotic device to resist movement of the tool in the zone .

본 개시의 또 다른 구현은 도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 로봇 디바이스에 의해 도구를 가상 제어 대상으로 제한하는 단계, 대략적으로 미리 결정된 방향으로 도구에 가해진 힘을 검출하는 단계, 대략적으로 미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계, 및 대략적으로 미리 결정된 방향으로의 힘이 임계 힘을 초과한다는 결정에 응답하여, 도구가 가상 제어 대상을 배출할 수 있도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함한다.Another implementation of the present disclosure relates to a method of operating a robotic device to which a tool is coupled. The method comprises the steps of limiting a tool to a virtual control object by a robotic device, detecting a force applied to the tool in an approximately predetermined direction, determining whether the force in the approximately predetermined direction exceeds a threshold force; and in response to determining that the force in the approximately predetermined direction exceeds the threshold force, controlling the robotic device such that the tool ejects the virtual control object.

본 개시의 또 다른 구현은 로봇 디바이스 및 로봇 디바이스와 통신할 수 있는 처리 회로를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 처리 시스템은 로봇 디바이스를 제어하여 도구를 가상 제어 대상으로 제한하고, 대략적으로 미리 결정된 방향으로 도구에 가해진 힘을 검출하고, 대략적으로 미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하고, 및 대략적으로 미리 결정된 방향으로의 힘이 임계 힘을 초과한다는 결정에 응답하여, 도구가 가상 제어 대상을 배출할 수 있도록 로봇 디바이스를 제어하도록 구성된다.Another implementation of the present disclosure relates to a system including a robotic device and processing circuitry capable of communicating with the robotic device. The processing system controls the robotic device to limit the tool to the virtual control object, detect a force applied to the tool in an approximately predetermined direction, determine whether the force in the approximately predetermined direction exceeds a threshold force, and In response to determining that the force in the approximately predetermined direction exceeds the threshold force, the tool is configured to control the robotic device to eject the virtual control object.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

본 발명의 현재 바람직한 실시예가 도면에 예시되어 있다. 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 참조하기 위해 동일하거나 유사한 도면 부호를 사용하려는 노력이 이루어져 왔다. 본 명세서는 주로 정형외과적 관절 교체를 위한 로봇 팔을 언급하지만, 본원에 설명된 요지는 비외과적 적용에 사용되는 것들뿐만 아니라 예를 들어 척추 또는 치과 수술과 같이 다른 해부학적 영역에 관한 수술을 포함하는 다른 유형의 로봇 시스템에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.A presently preferred embodiment of the invention is illustrated in the drawings. Efforts have been made to use the same or like reference numbers throughout the drawings to refer to the same or like parts. Although this specification mainly refers to robotic arms for orthopedic joint replacement, the subject matter described herein can be used for surgery on other anatomical areas, such as spine or dental surgery, as well as those used for non-surgical applications. It should be understood that it may be applied to other types of robotic systems, including

이제 도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 무릎 인공관절 수술 동안 변형된 대퇴골(101)이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 대퇴골(101)은 다중 평면 절단으로 변경되었다. 도시된 예에서, 대퇴골(100)은 5개의 실질적으로 평면인 표면, 즉 원위 표면(102), 후방 챔퍼 표면(104), 후방 표면(106), 전방 표면(108) 및 전방 챔퍼 표면(110)을 생성하도록 5개의 실질적으로 평면 절단에 의해 변경되었다. 평면 표면은 시상 톱 또는 다른 수술 도구, 예를 들어 아래에 설명된 예에서와 같이 로봇 디바이스에 결합된 수술 도구를 사용하여 달성될 수 있다. 평면 표면(102-110)은 평면 표면(102-110)이 대퇴골 임플란트 구성요소의 대응하는 표면과 정합되도록 생성된다. 평면 표면(102-110)의 위치 및 각도 배향은 임플란트 구성요소의 정렬 및 위치설정을 결정할 수 있다. 따라서, 높은 정확도로 평면 표면(102-110)을 생성하기 위해 수술 도구를 작동하는 것은 관절 교체 수술의 결과를 향상시킬 수 있다. Referring now to FIG. 1 , a deformed femur 101 is shown during knee arthroplasty surgery in accordance with an exemplary embodiment. As shown in Fig. 1, the femur 101 was altered with a multi-planar cut. In the illustrated example, the femur 100 has five substantially planar surfaces: a distal surface 102 , a posterior chamfer surface 104 , a posterior surface 106 , an anterior surface 108 and an anterior chamfer surface 110 . was altered by five substantially planar cuts to create The planar surface may be achieved using a sagittal saw or other surgical tool, for example a surgical tool coupled to a robotic device as in the examples described below. The planar surfaces 102 - 110 are created such that the planar surfaces 102 - 110 mate with corresponding surfaces of the femoral implant component. The position and angular orientation of the planar surfaces 102 - 110 may determine the alignment and positioning of the implant components. Thus, operating a surgical tool to create planar surfaces 102 - 110 with high accuracy may improve the outcome of joint replacement surgery.

도 1에 도시된 바와 같이, 대퇴골(101)도 한 쌍의 파일럿 홀(120)을 갖도록 변경되었다. 파일럿 홀(120)은 대퇴골(101)로 연장되고 파일럿 홀(120)이 나사, 임플란트 구성요소의 표면으로부터 연장되는 돌출부 또는 대퇴골(101)에 임플란트 구성요소의 결합을 돕도록 구성된 다른 구조를 수용할 수 있다. 파일럿 홀(120)은 후술된 바와 같이 드릴, 구형 버, 또는 다른 수술 도구를 사용하여 생성될 수 있다. 파일럿 홀(120)은 미리 계획된 위치, 배향 및 깊이를 가질 수 있으며, 이는 원하는 위치 및 배향에서 뼈에 대한 임플란트 구성요소의 확실한 결합을 용이하게 한다. 일부 경우에, 파일럿 홀(120)은 뼈의 고밀도 영역과 교차하고 및/또는 다른 임플란트 구성요소 및/또는 민감한 해부학적 특징부를 방지하기 위해 계획된다. 따라서, 높은 정확도로 파일럿 홀(120)을 생성하기 위해 수술 도구를 조작하는 것은 관절 치환술의 결과를 향상시킬 수 있다. As shown in FIG. 1 , the femur 101 was also changed to have a pair of pilot holes 120 . The pilot hole 120 extends into the femur 101 and the pilot hole 120 may receive a screw, a protrusion extending from the surface of the implant component, or other structure configured to aid in engagement of the implant component to the femur 101 . can The pilot hole 120 may be created using a drill, spherical burr, or other surgical tool as described below. The pilot hole 120 may have a pre-planned position, orientation, and depth, which facilitates secure engagement of the implant component to the bone in the desired position and orientation. In some cases, the pilot hole 120 is designed to intersect high-density regions of bone and/or to prevent other implant components and/or sensitive anatomical features. Therefore, manipulating the surgical tool to create the pilot hole 120 with high accuracy may improve the outcome of joint replacement surgery.

일부 실시예에서, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 평면 표면(102-110) 및 파일럿 홀(120)을 생성하기 위한 로봇 보조를 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이 5개의 평면 절단 및 2개의 원통형 파일럿 홀의 생성은 단지 예시일 뿐이며, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 예를 들어 다양한 실시예에서 임의의 뼈 및/또는 관절의 준비를 위해 임의의 수의 평면 또는 비평면 절단, 임의의 수의 파일럿 홀, 이들의 임의의 조합 등의 생성을 계획하고 용이하게 하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 고관절 또는 어깨 인공관절 수술에서 구형 버는 본원의 시스템 및 방법에 따라 곡선형 임플란트 컵을 수용하도록 구성된 곡선형 표면을 리밍하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 뼈에 대한 임플란트 구성요소의 배치를 용이하게 하기 위해(예를 들어, 고관절 인공관절 수술에서 컵 임플란트의 충격을 용이하게 하기 위해) 사용될 수 있다. 많은 이러한 외과적 및 비-외과적 구현이 본 개시의 범위 내에 있다. In some embodiments, the systems and methods described herein provide robotic assistance for creating planar surfaces 102 - 110 and pilot holes 120 . The five planar cuts and the creation of two cylindrical pilot holes as shown in Figure 1 are exemplary only, and the systems and methods described herein can be used, for example, in various embodiments for the preparation of any bone and/or joint. It is to be understood as contemplating and facilitating the creation of any number of planar or non-planar cuts, any number of pilot holes, any combination thereof, and the like. For example, in hip or shoulder arthroplasty surgery, a spherical bur may be used to ream a curved surface configured to receive a curved implant cup in accordance with the systems and methods herein. Additionally, in other embodiments, the systems and methods described herein may be used to facilitate placement of an implant component relative to a bone (eg, to facilitate impact of a cup implant in hip arthroplasty surgery). have. Many such surgical and non-surgical implementations are within the scope of the present disclosure.

이제 도 2를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 정형외과 수술을 위한 수술 시스템(200)이 도시되어 있다. 일반적으로, 수술 시스템(200)은 예를 들어 관절 관련 수술을 용이하게 하기 위해 수술 계획의 계획 및 실행을 용이하게 하도록 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수술 시스템(200)은 테이블(205)에 앉거나 누워 있는 환자(204)의 다리(202)를 치료하도록 설정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다리(202)는 대퇴골(206)(예를 들어, 도 1의 대퇴골(101)) 및 경골(208)을 포함하며, 이들 사이에 인공 무릎 임플란트가 전체 무릎 관절경 수술에서 이식된다. 다른 시나리오에서, 수술 시스템(200)은 환자의 고관절, 즉 환자의 대퇴골 및 골반을 치료하도록 설정된다. 추가로, 또 다른 시나리오에서, 수술 시스템(200)은 환자의 어깨를 치료하도록, 즉 어깨 관절의 구성요소의 교체 및/또는 증대를 용이하게 하기 위해(예를 들어, 상완골 구성요소, 견갑골 구성요소의 배치를 용이하게 하고 이식편 또는 임플란트 보강부) 설정된다. 다양한 다른 해부학적 영역과 수술도 또한 가능하다. 수술을 용이하게 하기 위해, 수술 시스템(200)은 로봇 디바이스(220), 추적 시스템(222), 및 컴퓨팅 시스템(224)을 포함한다. Referring now to FIG. 2 , shown is a surgical system 200 for orthopedic surgery in accordance with an exemplary embodiment. In general, surgical system 200 is configured to facilitate the planning and execution of surgical plans, for example, to facilitate joint-related surgery. As shown in FIG. 2 , the surgical system 200 is configured to treat the leg 202 of a patient 204 sitting or lying on a table 205 . As shown in FIG. 2 , the leg 202 includes a femur 206 (eg, femur 101 of FIG. 1 ) and a tibia 208 , between which an artificial knee implant is placed over a full knee arthroscopically. transplanted in surgery. In another scenario, the surgical system 200 is configured to treat a patient's hip joint, ie, the patient's femur and pelvis. Additionally, in another scenario, the surgical system 200 may be used to treat a patient's shoulder, ie, to facilitate replacement and/or augmentation of a component of the shoulder joint (eg, a humerus component, a scapular component). to facilitate the placement of the graft or implant reinforcement) is established. Various other anatomical areas and surgeries are also possible. To facilitate surgery, surgical system 200 includes robotic device 220 , tracking system 222 , and computing system 224 .

로봇 디바이스(220)는 컴퓨팅 시스템(224)의 제어 하에 환자의 해부학적 구조(예를 들어, 환자(204)의 대퇴골(206))를 변경하도록 구성된다. 로봇 디바이스(220)의 일 실시예는 햅틱 디바이스이다. "햅틱"은 촉각을 의미하고 햅틱 분야는 무엇보다도 작업자에게 피드백을 제공하는 인간 상호 작용 디바이스와 관련된다. 피드백은 예를 들어 진동과 같은 촉각 감각을 포함할 수 있다. 피드백은 또한 양의 힘 또는 이동에 대한 저항과 같은 힘을 사용자에게 제공하는 것을 포함할 수 있다. 햅틱의 한 가지 용도는 그 디바이스의 조작에 대한 안내 또는 제한을 디바이스 사용자에게 제공하는 것이다. 예를 들어, 햅틱 디바이스는 수술 절차를 수행하기 위해 외과의에 의해 조작될 수 있는 수술 도구에 결합될 수 있다. 수술 도구의 외과의사의 조작은 수술 도구의 조작 동안 외과의사에게 피드백을 제공하기 위해 햅틱의 사용을 통해 안내되거나 제한될 수 있다. The robotic device 220 is configured to alter a patient's anatomy (eg, the femur 206 of the patient 204 ) under control of the computing system 224 . One embodiment of the robotic device 220 is a haptic device. "Haptic" means touch and the field of haptics relates, among other things, to human interactive devices that provide feedback to the operator. Feedback may include, for example, a tactile sensation such as vibration. Feedback may also include providing the user with a force, such as a positive force or resistance to movement. One use of haptics is to provide a device user with guidance or restrictions on manipulation of the device. For example, a haptic device may be coupled to a surgical tool that may be manipulated by a surgeon to perform a surgical procedure. The surgeon's manipulation of the surgical tool may be guided or limited through the use of haptics to provide feedback to the surgeon during manipulation of the surgical tool.

로봇 디바이스(220)의 다른 실시예는 자율 또는 반자율 로봇이다. "자율"은 그 상황에 대한 정보를 수집하고, 행동 방침을 결정하고, 그 행동 방침을 자동으로 수행하는 것에 의해 인간의 제어로부터 독립적으로 또는 반독립적으로 행동하는 로봇 디바이스의 능력에 관한 것이다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 추적 시스템(222) 및 컴퓨팅 시스템(224)과 통신하는 로봇 디바이스(220)는 인간의 직접적인 개입없이 전술된 일련의 대퇴부 절단을 자율적으로 완료할 수 있다. Another embodiment of the robotic device 220 is an autonomous or semi-autonomous robot. “Autonomy” relates to the ability of a robotic device to act independently or semi-independently from human control by collecting information about its situation, determining a course of action, and automatically carrying out that course of action. For example, in this embodiment, the robotic device 220 in communication with the tracking system 222 and the computing system 224 can autonomously complete the series of femoral amputations described above without direct human intervention.

로봇 디바이스(220)는 베이스(230), 로봇 팔(232), 및 수술 도구(234)를 포함하고, 컴퓨팅 시스템(224) 및 추적 시스템(222)에 통신 가능하게 결합된다. 베이스(230)는 로봇 팔(232)을 위한 이동 가능한 토대를 제공하고, 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)가 환자(204) 및 테이블(205)에 대해 필요에 따라 재위치되는 것을 가능하게 한다. 베이스(230)는 또한 다음에 설명되는 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)의 기능에 필요한 전력 시스템, 컴퓨팅 요소, 모터, 및 다른 전자 또는 기계 시스템을 포함할 수 있다.The robotic device 220 includes a base 230 , a robotic arm 232 , and a surgical tool 234 , and is communicatively coupled to a computing system 224 and a tracking system 222 . Base 230 provides a movable base for robotic arm 232 , enabling robotic arm 232 and surgical tools 234 to be repositioned as needed relative to patient 204 and table 205 . make it Base 230 may also include power systems, computing elements, motors, and other electronic or mechanical systems necessary for the functioning of robotic arm 232 and surgical tool 234 described below.

로봇 팔(232)은 수술 도구(234)를 지지하고, 컴퓨팅 시스템(224)에 의해 지시된 바와 같은 힘을 제공하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 로봇 팔(232)은 사용자가 수술 도구를 조작하는 것을 가능하게 하고, 사용자에게 힘 피드백을 제공한다. 이러한 실시예에서, 로봇 팔(232)은, 허용 가능한 자세를 통해 모터, 액추에이터, 또는 사용자가 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)를 자유롭게 병진시키고 회전시키는 것을 가능하게 하는 동시에, 컴퓨팅 시스템(224)에 의해 지시된 바와 같이 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)의 일부 이동을 제한하거나 방지하기 위해 힘 피드백을 제공하도록 구성된 다른 메커니즘을 포함하는 관절(236) 및 마운트(238)를 포함한다. 다음에 상세히 설명되는 바와 같이, 이에 의해, 로봇 팔(232)은 외과 의사가 제어 대상 내에서 수술 도구(234)를 완전히 제어하는 동시에 그 대상의 경계를 따라서 힘 피드백(예를 들어, 경계의 침투를 방지하거나 저항하는 진동, 힘)을 제공하는 것을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 로봇 팔은 필요에 따라 로봇 팔을 위치시키고 및/또는 예를 들어 대퇴골(206)에서의 절단을 포함하는 특정 수술 작업을 완료하기 위해 컴퓨팅 시스템(224)에 의해 지시된 바와 같이 직접적인 사용자 조작없이 자동으로 새로운 자세로 수술 도구를 움직이도록 구성된다.The robotic arm 232 is configured to support the surgical tool 234 and to provide force as directed by the computing system 224 . In some embodiments, robotic arm 232 enables a user to manipulate a surgical tool and provides force feedback to the user. In this embodiment, the robotic arm 232 allows a motor, actuator, or user to freely translate and rotate the robotic arm 232 and surgical tool 234 through an acceptable pose, while at the same time allowing the computing system ( and a mount 238 and an articulation 236 including other mechanisms configured to provide force feedback to limit or prevent some movement of the robotic arm 232 and surgical tool 234 as indicated by 224 . do. As will be described in detail below, thereby, the robotic arm 232 allows the surgeon to fully control the surgical tool 234 within the object of control while simultaneously providing force feedback along the object's boundaries (eg, penetration of the boundary). It makes it possible to provide vibrations, forces that prevent or resist In some embodiments, the robotic arm positions the robotic arm as needed and/or as directed by the computing system 224 to complete certain surgical tasks including, for example, amputation at the femur 206 . It is configured to automatically move the surgical tool to a new position without direct user intervention.

수술 도구(234)는 뼈를 절단, 버, 그선딩, 드릴링, 부분적으로 절제, 재성형 및/또는 달리 변형하거나 또는 뼈를 절단, 버, 그선딩, 드릴링, 부분적으로 절제, 재성형 및/또는 달리 변형하기 위해 사용된 장치의 이동을 제한/제한하도록 구성된다. 수술 도구(234)는 임의의 적절한 도구일 수 있고, 로봇 디바이스(220)에 상호 교환 가능하게 연결 가능한 다수의 도구 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 수술 도구(234)는 구형 절삭 도구(spherical burr)(244)를 포함한다. 다른 예에서, 수술 도구는 또한 예를 들어 도구 축과 평행하거나 또는 도구 축에 직각으로 정렬된 블레이드를 갖는 정형외과 톱(sagittal saw)을 포함할 수 있다. 수술 도구는 또한 예를 들어 도구 축과 평행하거나 도구 축에 수직으로 정렬된 회전 비트를 갖는 드릴일 수 있다. 수술 도구(234)는 다양한 실시예에서 지그, 드릴 가이드, 절단 가이드 등일 수 있으며, 예를 들어 이를 통해 삽입되는 톱, 드릴, 또는 다른 기구를 갖도록 구성된다. 수술 도구(234)는 또한 임플란트 구성요소가 뼈에 나사로 고정되고, 뼈 또는 다른 임플란트 구성요소에 부착(예를 들어, 접합)되거나 또는 이와는 달리 선호되는 위치에 설치되는 동안 임플란트 구성요소(예를 들어, 컵(28a), 임플란트 보강부 등)를 제자리에 유지하도록 구성된 홀딩 암 또는 다른 지지부일 수 있다. 일부 실시예에서, 수술 도구(234)는 계획된 위치 및 배향에서 골반에 대한 컵 임플란트의 고정을 용이하게 하기 위해 컵 임플란트에 충격력을 제공하도록 구성된 충격 도구이다. Surgical tool 234 cuts, burrs, grinds, drills, partially excises, reshapes and/or otherwise deforms bone or cuts, burrs, grinds, drills, partially ablates, reshapes and/or deforms bone. otherwise configured to limit/limit movement of the device used to deform. Surgical tool 234 may be any suitable tool, and may be one of a number of tools that are interchangeably connectable to robotic device 220 . For example, as shown in FIG. 2 , surgical tool 234 includes a spherical burr 244 . In another example, the surgical tool may also include, for example, an orthopedic saw having blades aligned parallel to or perpendicular to the tool axis. The surgical tool may also be, for example, a drill having a rotating bit aligned parallel to or perpendicular to the tool axis. Surgical tool 234 may in various embodiments be a jig, drill guide, cutting guide, or the like, and is, for example, configured to have a saw, drill, or other instrument inserted therethrough. Surgical tool 234 may also include an implant component (eg, an implant component) while the implant component is screwed to the bone, attached (eg, spliced) to a bone or other implant component, or otherwise installed in a preferred location. , cup 28a, implant reinforcement, etc.) may be a holding arm or other support configured to hold in place. In some embodiments, surgical tool 234 is an impact tool configured to provide an impact force to the cup implant to facilitate fixation of the cup implant to the pelvis in a planned position and orientation.

추적 시스템(222)은 환자의 해부학적 구조(예를 들어, 대퇴골(206) 및 경골(208)) 및 로봇 디바이스(220)(즉, 수술 도구(234 및/또는 로봇 팔(232))를 추적하여, 로봇 팔(232)에 결합된 수술 도구(234)의 제어를 가능하게 하고, 수술 도구(234)에 의해 형성된 변형의 위치 및 배향 또는 다른 결과를 결정하고, 사용자가 뼈(예를 들어, 다양한 수술에 적용할 수 있는 대퇴골(206), 경골(208), 골반, 상완골, 견갑골 등), 수술 도구(234), 및/또는 로봇 팔(232)을 컴퓨팅 시스템(224)의 디스플레이에 시각화할 수 있도록 구성된다. 더욱 구체적으로, 추적 시스템(222)은 기준 좌표 프레임에 대한 대상(예를 들어, 수술 도구(234), 대퇴골(206)))의 위치 및 배향(즉, 자세)를 결정하고, 수술 절차 동안 대상의 자세를 추적한다(즉, 지속적으로 결정한다). 다양한 실시예들에 따르면, 추적 시스템(222)은 비기계식 추적 시스템(예를 들어, 광학 추적 시스템), 기계식 추적 시스템(예를 들어, 로봇 팔(232)의 관절(236)의 상대 각도를 측정하는 것에 기초한 추적), 또는 비기계식 및 기계식 추적 시스템의 임의의 조합을 포함하는 임의의 유형의 내비게이션 시스템일 수 있다.Tracking system 222 tracks the patient's anatomy (eg, femur 206 and tibia 208) and robotic device 220 (ie, surgical tool 234 and/or robotic arm 232). to enable control of a surgical tool 234 coupled to the robotic arm 232 , to determine the location and orientation or other consequences of deformations formed by the surgical tool 234 , and to allow a user to control a bone (e.g., a bone (e.g., The femur 206 , tibia 208 , pelvis, humerus, scapula, etc.) applicable to various surgeries, surgical tools 234 , and/or robotic arm 232 may be visualized on the display of computing system 224 . More specifically, the tracking system 222 determines the position and orientation (ie, posture) of a subject (eg, surgical instrument 234 , femur 206 ) with respect to a frame of reference coordinates, and , to track (ie, continuously determine) the subject's posture during the surgical procedure. According to various embodiments, the tracking system 222 measures the relative angles of a non-mechanical tracking system (eg, an optical tracking system), a mechanical tracking system (eg, a joint 236 of the robotic arm 232 ). tracking), or any type of navigation system, including any combination of non-mechanical and mechanical tracking systems.

도 2에 도시된 실시예에서, 추적 시스템(222)은 광학 추적 시스템을 포함한다. 따라서, 추적 시스템(222)은 경골(208)에 결합된 제1 기점 트리(fiducial tree)(240), 대퇴골(206)에 결합된 제2 기점 트리(241), 베이스(230)에 결합된 제3 기점 트리(242), 수술 도구(234)에 결합된 하나 이상의 기준, 및 기점(즉, 기점 트리(240 내지 242) 상의 마커)의 3차원 위치를 검출하도록 구성된 검출 디바이스(246)를 포함한다. 기점 트리(240, 241)는 다양한 수술(예를 들어, 고관절 인공관절 수술에서 골반 및 대퇴골)에 적합한 다른 뼈에 결합될 수 있다. 검출 디바이스(246)는 카메라 또는 적외선 센서와 같은 광학 검출기일 수 있다. 기점 트리(240 내지 242)는 기점들이고, 기점들은 광학 검출기에 명확하게 나타나도록 구성된 마커이고 및/또는 광학 검출기로부터의 데이터를 사용하는 이미지 처리 시스템에 의해, 예를 들어 적외선 방사(예를 들어, 추적 시스템(222)의 요소에 의해 방출된)의 높은 반사율에 의해 용이하게 검출 가능하다. 검출 디바이스(246) 상에서의 카메라의 입체적 배열은 삼각 측량 접근법을 통해 3D 공간에서 각각의 기점의 위치가 결정되는 것을 가능하게 한다. 각각의 기점은 대응하는 대상에 대한 기하학적 관계를 가져서, 기점의 추적은 대상의 추적을 허용하며(예를 들어, 제2 기점 트리(241)를 추적하는 것은 추적 시스템(222)이 대퇴골(206)을 추적하는 것을 가능하게 하며), 추적 시스템(222)은 이러한 기하학적 관계를 결정하거나 검증하기 위해 등록 프로세스(registration process)를 수행하도록 구성될 수 있다. 기점 트리(240 내지 242)에서의 기점의 고유한 배열(즉, 제1 기점 트리(240)에서의 기점은 제2 기점 트리(241)에서의 기점과 다른 기하학적 구조로 배열된다)은 기점 트리들, 그러므로 추적되는 대상들을 서로로부터 구별하는 것을 허용한다.In the embodiment shown in FIG. 2 , the tracking system 222 includes an optical tracking system. Accordingly, the tracking system 222 includes a first fiducial tree 240 coupled to the tibia 208 , a second fiducial tree 241 coupled to the femur 206 , and a second fiducial tree 241 coupled to the base 230 . three fiducial trees 242 , one or more criteria coupled to surgical tool 234 , and a detection device 246 configured to detect the three-dimensional position of fiducials (ie, markers on fiducial trees 240 - 242 ). . The fiducial trees 240 and 241 may be coupled to other bones suitable for various surgeries (eg, pelvis and femur in hip arthroplasty surgery). The detection device 246 may be a camera or an optical detector such as an infrared sensor. The fiducial trees 240 - 242 are fiducials, the fiducials being markers configured to appear unambiguously on the optical detector and/or by the image processing system using data from the optical detector, for example by infrared radiation (e.g., It is readily detectable by the high reflectivity of the tracking system 222 (emitted by the elements). The stereoscopic arrangement of the cameras on the detection device 246 enables the location of each fiducial to be determined in 3D space via a triangulation approach. Each fiducial has a geometric relationship to a corresponding object, such that tracking the fiducial allows tracking of the object (e.g., tracing the second fiducial tree 241 is caused by the tracking system 222 to the femur 206). ), and the tracking system 222 may be configured to perform a registration process to determine or verify this geometric relationship. The unique arrangement of fiducials in fiducial trees 240 - 242 (ie fiducials in first fiducial tree 240 are arranged in a different geometry than fiducials in second fiducial tree 241 ) , thus allowing to distinguish the objects being tracked from each other.

도 2의 추적 시스템(222) 또는 수술 내비게이션 및 추적에 대한 일부 다른 접근법을 사용하여, 수술 시스템(200)은 수술 도구(234)가 해부학적 특징부를 변경하거나 또는 그렇지 않으면 수술 절차를 용이하게 함에 따라 환자의 해부학적 특징부, 예를 들어 대퇴골(206)에 대한 수술 도구(234)의 위치를 결정할 수 있다. 또한, 도 2의 추적 시스템(222) 또는 수술 내비게이션 및 추적에 대한 접근법을 사용하여 수술 시스템(200)은 추적된 뼈의 상대적 자세를 결정할 수 있다. Using the tracking system 222 of FIG. 2 or some other approach to surgical navigation and tracking, the surgical system 200 responds to the surgical tool 234 altering anatomical features or otherwise facilitating a surgical procedure. The position of the surgical tool 234 relative to the patient's anatomical features, eg, the femur 206 , may be determined. Also, using the tracking system 222 of FIG. 2 or an approach to surgical navigation and tracking, the surgical system 200 may determine the relative pose of the tracked bone.

컴퓨팅 시스템(224)은 수술 계획을 생성하고, 수술 계획에 따라 로봇 디바이스(220)를 제어하여 하나 이상의 뼈 변경을 수행하고 및/또는 하나 이상의 보철 구성요소의 이식을 용이하게 하도록 구성된다. 따라서, 컴퓨팅 시스템(224)은 로봇 디바이스(220), 추적 시스템(222) 및 컴퓨팅 시스템(224) 사이의 전자 통신을 용이하게 하기 위해 추적 시스템(222) 및 로봇 디바이스(220)에 통신 가능하게 결합된다. 또한, 컴퓨팅 시스템(224)은 환자의 병력 또는 다른 환자 프로필 정보, 의료 영상, 수술 계획, 수술 절차와 관련된 정보를 수신하고, 예를 들어 전자 건강 기록 시스템에 액세스하는 것에 의해 수술 절차의 수행과 관련된 다양한 기능을 수행하기 위하여 네트워크에 연결될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(224)은 처리 회로(260) 및 입력/출력 디바이스(262)를 포함한다.Computing system 224 is configured to generate a surgical plan, control robotic device 220 in accordance with the surgical plan, to perform one or more bone alterations, and/or to facilitate implantation of one or more prosthetic components. Accordingly, the computing system 224 is communicatively coupled to the tracking system 222 and the robotic device 220 to facilitate electronic communications between the robotic device 220 , the tracking system 222 , and the computing system 224 . do. Computing system 224 may also receive a patient's medical history or other patient profile information, medical images, surgical plans, information related to surgical procedures, and information related to the performance of surgical procedures, eg, by accessing an electronic health record system. It may be connected to a network to perform various functions. Computing system 224 includes processing circuitry 260 and input/output device 262 .

입력/출력 디바이스(262)는 본 명세서에서 설명된 기능 및 프로세스를 위해 필요에 따라 사용자 입력을 수신하고 출력을 표시하도록 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 입력/출력 디바이스(262)는 디스플레이(264) 및 키보드(266)를 포함한다. 디스플레이(264)는 예를 들어 수술 계획, 의료 영상, 수술 시스템(200)에 대한 설정 및 다른 옵션, 추적 시스템(222) 및 로봇 디바이스(220)와 관련된 상태 정보, 및 추적 시스템(222)에 의해 제공된 데이터에 기초한 시각화 추적에 대한 정보를 포함하는, 처리 회로(260)에 의해 생성된 그래픽 사용자 인터페이스를 표시하도록 구성된다. 키보드(266)는 수술 시스템(200)의 하나 이상의 기능을 제어하기 위해 이들 그래픽 사용자 인터페이스에 대한 사용자 입력을 수신하도록 구성된다.Input/output device 262 is configured to receive user input and display output as needed for the functions and processes described herein. As shown in FIG. 2 , input/output device 262 includes a display 264 and a keyboard 266 . Display 264 provides, for example, surgical planning, medical images, settings and other options for surgical system 200 , status information related to tracking system 222 and robotic device 220 , and tracking system 222 . and display a graphical user interface generated by processing circuitry 260 that includes information about tracking visualizations based on the provided data. The keyboard 266 is configured to receive user input for these graphical user interfaces to control one or more functions of the surgical system 200 .

처리 회로(260)는 프로세서 및 메모리 디바이스를 포함한다. 프로세서는 범용 프로세서, 특정 응용 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC), 하나 이상의 영역 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 처리 구성요소의 그룹, 또는 다른 적절한 전자 처리 구성요소로서 구현될 수 있다. 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리, 메모리 유닛, 저장 디바이스 등)는 본 명세서에 설명된 다양한 프로세스 및 기능을 완료하거나 용이하게 하기 위한 데이터 및/또는 컴퓨터 코드를 저장하기 위한 하나 이상의 디바이스(예를 들어, RAM, ROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 저장 디바이스 등)이다. 메모리 디바이스는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는 데이터베이스 구성요소, 대상 코드 구성요소, 스크립트 구성요소, 또는 본 명세서에서 설명된 다양한 활동 및 정보 구조를 지원하기 위한 임의의 다른 유형의 정보 구조를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 메모리 디바이스는 처리 회로(260)를 통해 프로세서에 통신 가능하게 연결되고, 본 명세서에서 설명된 하나 이상의 프로세스를 실행하기 위한(예를 들어, 처리 회로(260) 및/또는 프로세서에 의해) 컴퓨터 코드를 포함한다.Processing circuitry 260 includes a processor and a memory device. A processor may be implemented as a general purpose processor, application specific integrated circuit (ASIC), one or more area programmable gate array (FPGA), group of processing components, or other suitable electronic processing component. A memory device (eg, memory, memory unit, storage device, etc.) is one or more devices (eg, for storing data and/or computer code for completing or facilitating the various processes and functions described herein) , RAM, ROM, flash memory, hard disk storage devices, etc.). The memory device may include volatile memory or non-volatile memory. The memory device may include a database component, a target code component, a script component, or any other type of information structure to support the various activities and information structures described herein. According to an exemplary embodiment, the memory device is communicatively coupled to the processor via processing circuitry 260 and for executing one or more processes described herein (eg, processing circuitry 260 and/or by a processor) contains computer code.

보다 구체적으로, 처리 회로(260)는 수술 절차 이전에 수술전 수술 계획의 생성을 용이하게 하도록 구성된다. 일부 실시예에 따르면, 수술전 수술 계획은 본 명세서에서 "가상의 뼈 모델"로서 또한 지칭되는 환자 해부학적 구조의 3차원 표현을 이용하도록 개발된다. "가상의 뼈 모델"은 뼈외에 연골 또는 다른 조직의 가상의 표현을 포함할 수 있다. 가상의 뼈 모델을 획득하기 위해, 처리 회로(260)는 수술 절차가 수행될 환자의 해부학적 구조의 영상 데이터를 수신한다. 영상 데이터는 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 및/또는 초음파를 포함하는 관련 해부학적 특징부를 영상화하기 위해 임의의 적절한 의료 영상 기술을 사용하여 생성될 수 있다. 이어서, 영상 데이터는 가상의 뼈 모델을 획득하기 위해 분할된다(즉, 다른 해부학적 특징부에 대응하는 영상에서의 영역이 구별된다). 예를 들어, 관절의 MRI 기반 스캔 데이터는 주변 인대, 연골, 이전에 이식된 보철 구성요소 및 다른 조직과 뼈를 구분하여 이미지화된 뼈의 3차원 모델을 얻을 수 있도록 분할할 수 있습니다. More specifically, processing circuitry 260 is configured to facilitate generation of a preoperative surgical plan prior to a surgical procedure. According to some embodiments, a preoperative surgical plan is developed to utilize a three-dimensional representation of the patient's anatomy, also referred to herein as a “virtual bone model”. A “virtual bone model” may include a virtual representation of cartilage or other tissue other than bone. To obtain a virtual bone model, the processing circuit 260 receives image data of an anatomy of a patient on which a surgical procedure is to be performed. The image data may be generated using any suitable medical imaging technique to image the relevant anatomical features, including computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), and/or ultrasound. The image data is then segmented to obtain a virtual bone model (ie, regions in the image corresponding to different anatomical features are distinguished). For example, MRI-based scan data of a joint can be segmented to differentiate the bone from the surrounding ligaments, cartilage, previously implanted prosthetic components, and other tissues to obtain a three-dimensional model of the imaged bone.

대안적으로, 가상의 뼈 모델은 뼈 모델의 데이터 베이스 또는 라이브러리로부터 3차원 모델을 선택하는 것에 의해 획득될 수 있다. 일 실시예에서, 사용자는 적절한 모델을 선택하기 위해 입력/출력 디바이스(262)를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 처리 회로(260)는 환자에 관해 제공된 이미지 또는 다른 정보에 기초하여 적절한 모델을 선택하기 위해 저장된 명령을 실행할 수 있다. 이어서, 데이터 베이스로부터 선택된 뼈 모델(들)은 특정 환자 특성에 기초하여 변형되어, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 수술 계획 및 구현에서 사용하기 위한 가상의 뼈 모델을 생성할 수 있다.Alternatively, the virtual bone model may be obtained by selecting a three-dimensional model from a database or library of bone models. In one embodiment, the user may use the input/output device 262 to select an appropriate model. In other embodiments, processing circuitry 260 may execute stored instructions to select an appropriate model based on images or other information provided about the patient. The bone model(s) selected from the database may then be modified based on specific patient characteristics to create a virtual bone model for use in surgical planning and implementation as described herein.

이어서, 수술전 수술 계획은 가상의 뼈 모델에 기초하여 생성될 수 있다. 수술 계획은 처리 회로(260), 입력/출력 디바이스(262)를 통해 사용자에 의한 입력, 또는 둘의 일부 조합에 의해 자동으로 생성될 수 있다(예를 들어, 처리 회로(260)는 사용자 생성 계획의 일부 특징부를 제한하고, 사용자가 변경할 수 있는 계획을 생성한다). 일부 실시예에서, 수술 계획은 수술 중에 수집된 신연력 측정에 기초하여 생성 및/또는 변경될 수 있다. Then, a pre-operative surgical plan may be generated based on the virtual bone model. The surgical plan may be automatically generated by processing circuitry 260 , input by a user via input/output device 262 , or some combination of the two (eg, processing circuitry 260 may include a user-generated plan constrains some features of , and creates a user-changeable plan). In some embodiments, a surgical plan may be created and/or altered based on distraction measurements collected during surgery.

수술 전 수술 계획은 원하는 절단, 홀, 표면, 버, 또는 수술 시스템(200)을 사용하여 이루어질 환자의 해부학적 구조에 대한 다른 변경을 포함한다. 예를 들어, 전체 무릎 관절경 수술의 경우, 수술 전 계획은 수술 절차 동안에 대퇴골에 결합되는 보철물의 대응 표면에 정합되도록 적합한 상대 배향 및 위치에 대한 원위 표면, 후방 챔퍼 표면, 후방 표면, 전방 표면 및 전방 챔퍼 표면을 대퇴골에 형성하기 위해 필요한 절단뿐만 아니라 수술 중 경골에 결합될 보철물에 정합하기에 적합한 표면(들)을 경골에 형성하기 위해 필요한 절단을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 수술전 계획은 뼈 내에 홀(예를 들어, 파일럿 홀(120))을 형성하기 위하여 필요한 변경을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 고관절 인공관절 수술에서 수술 계획은 컵을 수용하기 위해 골반의 비구 영역에 하나 이상의 표면을 형성하는 데 필요한 버 및 적절한 경우에 임플란트 보강부를 포함할 수 있다. 따라서, 처리 회로(260)는 수술 계획의 생성을 용이하게 하기 위해 보철물의 모델을 수신, 액세스 및/또는 저장할 수 있다.Preoperative surgical planning includes desired cuts, holes, surfaces, burs, or other changes to the patient's anatomy to be made using the surgical system 200 . For example, for total knee arthroscopic surgery, the preoperative plan is to include a distal surface, a posterior chamfered surface, a posterior surface, an anterior surface and It may include the cuts needed to form the anterior chamfer surface on the femur as well as the cuts needed to form the tibia with a surface(s) suitable for mating to a prosthesis to be joined to the tibia during surgery. As another example, the pre-operative plan may include changes necessary to form a hole (eg, pilot hole 120 ) in the bone. As another example, in hip arthroplasty surgery, the surgical plan may include burs and, where appropriate, implant reinforcements to form one or more surfaces in the acetabular region of the pelvis to receive the cup. Accordingly, processing circuitry 260 may receive, access, and/or store a model of the prosthesis to facilitate creation of a surgical plan.

처리 회로(260)는 수술 계획에 따라서 로봇 디바이스(220)에 대한 제어 대상을 생성하도록 추가로 구성된다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 제어 대상은 가능한 로봇 디바이스의 다양한 유형(예를 들어, 햅틱, 자율 등)에 따라서 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어 대상은 제어 대상 내에서 움직이도록(즉, 추적 시스템(222)으로부터의 피드백에 의해 안내되는 수술 계획 중 하나 이상의 절단을 자율적으로 만들기 위해) 로봇 디바이스를 제어하기 위한 로봇 디바이스에 대한 명령을 정의한다. 일부 실시예에서, 제어 대상은 수술 내비게이션을 용이하게 하고 외과 의사가 수술 계획을 따르도록 안내하는 것(예를 들어, 로봇 디바이스의 능동 제어 또는 힘 피드백 없이)을 돕기 위해 디스플레이(264) 상에서의 수술 계획 및 로봇 디바이스의 시각화를 포함한다. 로봇 디바이스(220)가 햅틱 디바이스인 실시예에서, 제어 대상은 다음의 단락에서 설명되는 바와 같이 햅틱 대상(haptic object)일 수 있다.The processing circuit 260 is further configured to generate a control object for the robotic device 220 according to the surgical plan. In some embodiments described herein, the control object may take various forms depending on the various types of possible robotic devices (eg, haptic, autonomous, etc.). For example, in some embodiments, the control object controls the robotic device to move within the control object (ie, to autonomously make amputations in one or more of the surgical plans guided by feedback from the tracking system 222 ). Defines the command for the robot device for In some embodiments, the control object facilitates surgical navigation and assists a surgeon in guiding a surgeon in following a surgical plan (eg, without active control or force feedback of a robotic device) for surgery on display 264 . Includes planning and visualization of robotic devices. In embodiments where the robotic device 220 is a haptic device, the control object may be a haptic object as described in the following paragraphs.

로봇 디바이스(220)가 햅틱 디바이스인 실시예에서, 처리 회로(260)는 수술 절차 동안 수술 도구(234)의 제한을 가능하게 하는 것에 의해 수술 계획의 구현 동안 외과 의사를 지원하기 위해, 수술전 수술 계획에 기초하여 하나 이상의 햅틱 대상을 생성하도록 추가로 구성된다. 햅틱 대상은 1차원, 2차원 또는 3차원으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 햅틱 대상은 선, 평면 또는 3차원 체적일 수 있다. 햅틱 대상은 곡선 표면으로 곡선화될 수 있고 및/또는 평평한 표면을 가질 수 있으며, 임의의 형상, 예를 들어 깔때기 형상일 수 있다. 햅틱 대상은 수술 절차 동안 수술 도구(234)의 이동을 위한 다양한 원하는 결과를 나타내기 위해 생성될 수 있다. 3차원 햅틱 대상의 경계 중 하나 이상은 뼈의 표면에 생성되는 절단과 같은 하나 이상의 변경을 나타낼 수 있다. 평면형 햅틱 대상은 뼈의 표면에 생성되는 절단과 같은 변경을 나타낼 수 있다. 곡선형 햅틱 대상은 컵 임플란트 및/또는 임플란트 보강부를 수용하도록 변경되는 바와 같이 골의 결과적인 표면을 나타낼 수 있다. 라인 햅틱 대상은 뼈가 나사 또는 다른 돌출부를 수용하도록 준비하기 위해 뼈에 만들어지는 파일럿 홀에 대응할 수 있다. In an embodiment where the robotic device 220 is a haptic device, the processing circuitry 260 is configured to assist the surgeon during implementation of a surgical plan by enabling restraint of the surgical tool 234 during a surgical procedure, such as during preoperative surgery. and generate one or more haptic objects based on the plan. The haptic object may be formed in one, two or three dimensions. For example, a haptic object may be a line, a plane, or a three-dimensional volume. The haptic object may be curved into a curved surface and/or may have a flat surface, and may be of any shape, for example a funnel shape. Haptic objects may be generated to represent various desired outcomes for movement of surgical tool 234 during a surgical procedure. One or more of the boundaries of the three-dimensional haptic object may represent one or more alterations, such as cuts being made to the surface of the bone. A planar haptic object may represent a change such as a cut being made to the surface of a bone. The curved haptic object may represent the resulting surface of the bone as it is modified to accommodate the cup implant and/or implant reinforcement. The line haptic object may correspond to a pilot hole made in the bone to prepare the bone to receive a screw or other protrusion.

로봇 디바이스(220)가 햅틱 디바이스인 실시예에서, 처리 회로(260)는 수술 도구(234)의 가상의 도구 표현을 생성하도록 추가로 구성된다. 가상의 도구는 하나 이상의 햅틱 상호 작용 지점(HIP)을 포함하며, 이는 물리적 수술 도구(234) 상의 위치를 나타내고 이와 관련된다. 수술 도구(234)가 구형 버(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이)인 실시예에서, HIP는 구형 버의 중심을 나타낼 수 있다. 하나의 HIP가 수술 도구를 가상으로 나타내기 위해 사용되는 경우, HIP는 도구 중심 지점(TCP)로 본원에서 지칭될 수 있다. 수술 도구(234)가 예를 들어 정형외과 톱과 같이 불규칙한 형상이면, 정형외과 톱의 가상의 표현은 수많은 HIP를 포함할 수 있다. 수술 도구에 햅틱 힘(예를 들어, 이동에 대한 양의 힘 피드백 또는 저항)을 생성하기 위해 다수의 HIP를 사용하는 것은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 "System and Method for Providing Substantially Stable Haptics"이라는 명칭으로 2011년 12월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/339,369호에 기술되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 정형외과 톱을 나타내는 가상의 도구는 11개의 HIP를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "HIP"에 대한 언급은 "하나 이상의 HIP"에 대한 언급을 또한 포함하는 것으로 간주된다. 다음에 설명되는 바와 같이, HIP와 햅틱 대상 사이의 관계는 수술 시스템(200)이 수술 도구(234)를 제한하는 것을 가능하게 한다.In embodiments where robotic device 220 is a haptic device, processing circuitry 260 is further configured to generate a virtual instrumental representation of surgical tool 234 . The virtual tool includes one or more haptic interaction points (HIPs), which represent and are associated with locations on the physical surgical tool 234 . In embodiments where the surgical tool 234 is a spherical burr (eg, as shown in FIG. 2 ), the HIP may represent the center of the spherical burr. When one HIP is used to virtually represent a surgical tool, the HIP may be referred to herein as the tool center point (TCP). If the surgical tool 234 is of an irregular shape, for example an orthopedic saw, the virtual representation of the orthopedic saw may include numerous HIPs. The use of multiple HIPs to generate haptic forces (eg, positive force feedback or resistance to movement) in a surgical tool is described in "System and Method for Providing Substantially," which is incorporated herein by reference in its entirety. Stable Haptics," as described in U.S. Patent Application Serial No. 13/339,369, filed December 28, 2011. In one embodiment of the present invention, the virtual tool representing the orthopedic saw comprises 11 HIPs. As used herein, reference to “HIP” is considered to also include reference to “one or more HIPs”. As described below, the relationship between the HIP and the haptic object enables the surgical system 200 to constrain the surgical tool 234 .

수술 절차를 수행하기 전에, 환자의 해부학적 구조(예를 들어, 대퇴골(206))는 임의의 공지된 등록 기술에 의해 환자의 해부학적 구조의 가상의 뼈 모델에 등록될 수 있다. 한 가지 가능한 등록 기술은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 "Haptic Guidance System and Method"이라는 명칭으로 2011년 8월 30일자로 등록된 미국 특허 제8,010,180호에 기술된 바와 같이 지점 기반 등록이다. 대안적으로, 등록은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 "Radiographic Imaging Device"이라는 명칭으로 2012년 7월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/562,163호에 기술된 바와 같은 핸드 헬드 방사선 영상 디바이스를 이용하는 2D/3D 등록에 의해 수행될 수 있다. 등록은 또한 수술 도구(234)의 가상의 도구 표현에 대한 수술 도구(234)의 등록을 포함하여서, 수술 시스템(200)은 환자에 대한(즉, 대퇴골(206)에 대한) 수술 도구(234)의 자세를 결정하고 모니터링할 수 있다. 등록은 수술 절차 동안 정확한 내비게이션, 제어 및/또는 힘 피드백을 가능하게 한다. 일부 실시예에서 고관절 인공관절 수술 등록과 관련된 추가 세부사항은 아래에 자세히 설명되어 있다. Prior to performing a surgical procedure, the patient's anatomy (eg, femur 206 ) may be registered with a virtual bone model of the patient's anatomy by any known registration technique. One possible registration technique is point-based registration as described in U.S. Patent No. 8,010,180, issued August 30, 2011, entitled "Haptic Guidance System and Method," which is incorporated herein by reference in its entirety. to be. Alternatively, registration may be made for a hand held as described in U.S. Patent Application Serial No. 13/562,163, filed July 30, 2012, entitled “Radiographic Imaging Device,” which is incorporated herein by reference in its entirety. It may be performed by 2D/3D registration using a radiographic imaging device. The registration also includes registration of the surgical tool 234 to a virtual instrumental representation of the surgical tool 234 , such that the surgical system 200 provides the surgical tool 234 to the patient (ie, to the femur 206 ). can determine and monitor the posture of Registration allows for accurate navigation, control and/or force feedback during surgical procedures. Additional details related to enrollment in hip arthroplasty in some embodiments are detailed below.

처리 회로(260)는 환자의 뼈(예를 들어 대퇴골(206)), 수술 도구(234), 및 로봇 디바이스(220)에 의해 생성된 힘에 의해 정의되는 하나 이상의 선, 평면 또는 3차원 공간의 실세계 위치에 대응하는 가상의 도구 표현, 가상의 뼈 모델, 및 제어 대상(예를 들어, 가상의 햅틱 대상)의 가상의 위치를 모니터링하도록 구성된다. 예를 들어, 환자의 해부학적 구조가 추적 시스템(222)에 의해 추적되는 바와 같이 수술 절차 동안 움직이면, 처리 회로(260)는 대응하여 가상의 뼈 모델을 움직인다. 그러므로, 가상의 뼈 모델은 환자의 실제(즉, 물리적) 해부학적 구조와 실제/물리적 공간에서 해당 해부학적 구조의 위치 및 배향에 대응하거나 관련된다. 유사하게, 또한 그 해부학적 구조에 대해 만들어질 절단, 변경 등에 관계된, 수술 계획 동안 생성된 로봇 디바이스의 임의의 햅틱 대상, 제어 대상 또는 다른 계획된 자동화된 운동은 환자의 해부학적 구조에 대응하여 움직인다. 일부 실시예에서, 수술 시스템(200)은 대퇴골(206)의 운동을 추적하고 처리할 필요성을 최소화하기 위해 대퇴골(206)을 실질적으로 고정하는 클램프 또는 브레이스를 포함한다.Processing circuitry 260 may be configured to represent one or more lines, planes, or three-dimensional spaces defined by forces generated by the patient's bone (eg, femur 206 ), surgical tool 234 , and robotic device 220 . and monitor the virtual tool representation corresponding to the real-world location, the virtual bone model, and the virtual location of the control object (eg, the virtual haptic object). For example, if the patient's anatomy moves during a surgical procedure as tracked by tracking system 222 , processing circuitry 260 moves the virtual bone model correspondingly. Thus, the virtual bone model corresponds to or relates to the patient's real (ie, physical) anatomy and the position and orientation of that anatomy in real/physical space. Similarly, any haptic object, control object or other planned automated movement of the robotic device generated during surgical planning, also related to cuts, changes, etc. to be made to that anatomy, moves in response to the patient's anatomy. In some embodiments, surgical system 200 includes a clamp or brace that substantially secures femur 206 to minimize the need to track and process motion of femur 206 .

로봇 디바이스(220)가 햅틱 디바이스인 실시예의 경우, 수술 시스템(200)은 HIP와 햅틱 대상 사이의 관계에 기초하여 수술 도구(234)를 제한하도록 구성된다. 즉, HIP를 햅틱 대상과 가상 접촉시키기 위해 사용자가 수술 도구(234)를 조작하는 것을 검출하기 위해 처리 회로(260)가 추적 시스템(222)에 의해 공급된 데이터를 사용할 때, 처리 회로(260)는 수술 도구(234)의 이동에 대한 제한을 전달하도록 사용자에게 햅틱 피드백(예를 들어, 힘, 진동)을 제공하기 위해 로봇 팔(232)에 대한 제어 신호를 생성한다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "제한"은 이동을 제한하는 경향을 설명하는데 사용된다. 그러나, 수술 도구(234)에 부과되는 제한의 형태는 관련 햅틱 대상의 형태에 의존한다. 햅틱 대상은 임의의 바람직한 형상 또는 구성으로 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 3개의 예시적인 실시예는 선, 평면 또는 3차원 체적을 포함한다. 일 실시예에서, 수술 도구(234)는 수술 도구(234)의 HIP가 선형 햅틱 대상을 따르는 이동으로 제한되기 때문에 제한된다. 다른 실시예에서, 햅틱 대상은 3차원 체적이고, 수술 도구(234)는 3차원 햅틱 대상의 벽들로 둘러싸인 체적의 외부에서 HIP의 이동을 실질적으로 방지하는 것에 의해 제한될 수 있다. 다른 실시예에서, 수술 도구(234)는 평면형 햅틱 대상이 평면형 햅틱 대상의 평면의 외부 및 경계의 외부에서 HIP의 이동을 실질적으로 방지하기 때문에 제한된다. 예를 들어, 처리 회로(260)는 계획된 원위 절단을 수행하는데 필요한 평면으로 수술 도구(234)를 실질적으로 국한시키기 위해 대퇴골(206) 상에 원위 표면을 생성하기 위해 필요한 계획된 평면 원위 절단에 대응하는 평면형 햅틱 대상을 확립할 수 있다.For embodiments in which the robotic device 220 is a haptic device, the surgical system 200 is configured to constrain the surgical tool 234 based on the relationship between the HIP and the haptic object. That is, when the processing circuit 260 uses the data supplied by the tracking system 222 to detect that the user manipulates the surgical tool 234 to put the HIP into virtual contact with the haptic object. generates a control signal for the robotic arm 232 to provide haptic feedback (eg, force, vibration) to the user to convey a restriction on movement of the surgical tool 234 . Generally, as used herein, the term “restriction” is used to describe a tendency to limit movement. However, the type of restriction imposed on the surgical tool 234 depends on the type of the associated haptic object. The haptic object may be formed into any desired shape or configuration. As noted above, three exemplary embodiments include lines, planes, or three-dimensional volumes. In one embodiment, surgical tool 234 is limited because the HIP of surgical tool 234 is limited to movement along a linear haptic object. In another embodiment, the haptic object is a three-dimensional volume, and the surgical tool 234 may be constrained by substantially preventing movement of the HIP outside the volume surrounded by walls of the three-dimensional haptic object. In another embodiment, the surgical tool 234 is limited because the planar haptic object substantially prevents movement of the HIP outside of the plane and outside the boundaries of the planar haptic object. For example, processing circuitry 260 may be configured to correspond to the planned planar distal cut required to create a distal surface on the femur 206 to substantially localize the surgical tool 234 to a plane necessary to perform the planned distal cut. A planar haptic object can be established.

로봇 디바이스(220)가 자율 디바이스인 실시예를 위해, 수술 시스템(200)은 제어 대상에 따라서 수술 도구(234)를 자율적으로 움직이고 작동시키도록 구성된다. 예를 들어, 제어 대상은 절단이 만들어져야 하는 대퇴골(206)에 관련된 영역을 정의할 수 있다. 이러한 경우에, 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)의 하나 이상의 모터, 액추에이터 및/또는 다른 메커니즘은 예를 들어, 폐쇄 루프 제어를 허용하기 위해 추적 시스템(222)으로부터의 추적 데이터를 사용하여, 계획된 절단을 만들기 위해 수술 도구(234)를 제어 대상 내에서 필요에 따라 움직이고 작동시키도록 제어 가능하다.For embodiments in which the robotic device 220 is an autonomous device, the surgical system 200 is configured to autonomously move and actuate the surgical tool 234 according to a control object. For example, the control object may define an area related to the femur 206 in which an amputation is to be made. In this case, one or more motors, actuators, and/or other mechanisms of robotic arm 232 and surgical tool 234 may use tracking data from tracking system 222 to allow closed loop control, for example. , is controllable to move and actuate the surgical tool 234 as needed within the control object to make the planned cut.

이제 도 3을 언급하면, 도 2의 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있는 프로세스(300)의 흐름도가 예시적인 실시예에 따라 도시된다. 프로세스(300)는 전체 및 부분 관절 교체 수술을 포함하는 다양한 수술 절차를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 프로세스(300)는 도 4 내지 도 13에 도시된 다양한 단계 및 특징부를 사용하여 실행될 수 있고 이의 조합을 포함하여 하기에서 상세히 설명된다. Referring now to FIG. 3 , a flowchart of a process 300 that may be executed by the surgical system 200 of FIG. 2 is shown in accordance with an exemplary embodiment. Process 300 may be configured to facilitate various surgical procedures, including total and partial joint replacement surgery. Process 300 may be practiced using the various steps and features illustrated in FIGS. 4-13 and is described in detail below, including combinations thereof.

단계(302)에서, 수술 계획이 획득된다. 수술 계획(예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 데이터 파일)은 예를 들어 환자의 해부학적 구조에 대한 보철 구성요소의 원하는 위치를 기반으로 정의된 뼈 변경의 원하는 결과를 정의할 수 있다. 예를 들어, 무릎 인공관절 수술의 경우, 수술 계획은 도 1에 도시된 바와 같이 평면 표면(102-110) 및 파일럿 홀(120)의 계획된 위치 및 방향을 제공할 수 있다. 수술 계획은 의료 영상, 3D 모델링, 의사 입력 등을 기반으로 생성될 수 있다. At step 302 , a surgical plan is obtained. A surgical plan (eg, a computer readable data file) may define a desired outcome of a defined bone alteration based on, for example, a desired position of a prosthetic component relative to a patient's anatomy. For example, in the case of knee arthroplasty, the surgical plan may provide the planned location and orientation of the planar surfaces 102 - 110 and the pilot hole 120 as shown in FIG. 1 . The surgical plan may be generated based on a medical image, 3D modeling, a doctor's input, and the like.

단계(304)에서, 햅틱 대상과 같은 하나 이상의 제어 경계가 수술 계획에 기초하여 정의된다. 하나 이상의 햅틱 대상은 1차원(예를 들어, 라인 햅틱), 2차원(즉, 평면), 또는 3차원(예를 들어, 원통형, 깔때기형, 곡선형 등)일 수 있다. 햅틱 대상은 수술 계획에 의해 정의된 계획된 뼈 변경(예를 들어, 도 1에 도시된 각 평면 표면(102-110) 및 파일럿 홀(120) 각각에 대한 햅틱 대상), 임플란트 구성요소, 수술 접근 궤적 등을 나타낼 수 있다. 햅틱 대상은 추적된 환자의 해부학적 구조의 위치를 기준으로 3차원 공간에서 배향되고 배치될 수 있다. In step 304, one or more control boundaries, such as haptic objects, are defined based on the surgical plan. The one or more haptic objects may be one-dimensional (eg, line haptic), two-dimensional (ie, planar), or three-dimensional (eg, cylindrical, funnel-shaped, curved, etc.). The haptic object is the planned bone alteration defined by the surgical plan (eg, the haptic object for each of the respective planar surfaces 102 - 110 and pilot hole 120 shown in FIG. 1 ), the implant component, and the surgical approach trajectory. etc. can be shown. The haptic object may be oriented and positioned in three-dimensional space based on the tracked position of the patient's anatomy.

단계(306)에서, 예를 들어 위에서 설명된 추적 시스템(222)에 의해 햅틱 대상(들)에 대해 수술 도구의 자세가 추적된다. 일부 실시예에서, 수술 도구 상의 한 지점이 추적된다. 다른 실시예에서(예를 들어, 도 4-5의 예에서) 수술 도구 상의 2개의 지점, 예를 들어 수술 도구의 팁/유효 단부에서의 도구 중심 점(TCP) 및 수술 도구의 몸체 또는 핸들 부분을 따라 배열된 제2 상호작용 지점(SIP)이 추적된다. 다른 실시예에서, 수술 도구 상의 3개 이상의 지점이 추적된다. 수술 도구의 자세는 하나 이상의 햅틱 대상이 정의되고 일부 실시예에서 환자의 하나 이상의 해부학적 특징부의 자세도 추적되는 좌표계에 대해 확인된다. At step 306 , the posture of the surgical tool is tracked relative to the haptic object(s), for example by the tracking system 222 described above. In some embodiments, a point on the surgical tool is tracked. In another embodiment (eg, in the example of FIGS. 4-5 ) two points on the surgical tool, eg the tool center point (TCP) at the tip/effective end of the surgical tool and the body or handle portion of the surgical tool A second interaction point (SIP) arranged along is tracked. In another embodiment, three or more points on the surgical tool are tracked. The pose of the surgical tool is identified against a coordinate system in which one or more haptic objects are defined and in some embodiments the pose of one or more anatomical features of the patient is also tracked.

단계(308)에서, 수술 도구는 햅틱 대상(들)으로 안내된다. 예를 들어, 수술 시스템(200)의 디스플레이(264)는 수술 도구를 햅틱 대상으로 가져오기 위해 수술 도구 및/또는 로봇 디바이스를 이동하는 방법(예를 들어, 어느 방향)에 대해 사용자에게 지시하는 그래픽 사용자 인터페이스를 표시할 수 있다. 다른 예로서, 수술 도구는 미국 특허 제9,289,264호에 설명된 바와 같이 붕괴 햅틱 경계를 사용하여 햅틱 대상으로 안내될 수 있으며, 그 전체 개시 내용은 여기에 참조로 포함된다. 다른 예로서, 로봇 디바이스는 수술 도구를 햅틱 대상으로 자동으로 이동시키도록 제어될 수 있다. 다른 예로서, 단계(308)는 이하에서 자세히 설명된 도 8의 프로세스(800)를 사용하여 실행될 수 있다.In step 308, the surgical tool is guided to the haptic object(s). For example, the display 264 of the surgical system 200 may be a graphic instructing the user on how (eg, in which direction) to move the surgical tool and/or robotic device to bring the surgical tool to the haptic object. A user interface can be displayed. As another example, a surgical instrument may be guided to a haptic object using a collapsing haptic boundary as described in US Pat. No. 9,289,264, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. As another example, a robotic device can be controlled to automatically move a surgical tool to a haptic object. As another example, step 308 may be executed using process 800 of FIG. 8 detailed below.

단계(310)에서, 로봇 디바이스는 수술 도구의 추적된 자세 및 하나 이상의 햅틱 대상의 자세에 기초하여 수술 도구의 이동을 제한하도록 제어된다. 수술 도구의 제한은 도 2을 참조하여 전술한 바와 같이 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 단계(310)는 도 4-5에 도시되고 하기를 참조하여 기재된 2단계 접근법을 포함한다. 일부 실시예에서, 단계(310)는 예를 들어 도 9-10에 도시되고 하기를 참조하여 기재된 특정 구역을 통한 수술 도구의 이동에 저항하는 감쇠력을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계(310)는 예를 들어 하기를 참조하여 기재된 도 11 내지 도 13의 예에 따라 사용자 입력에 응답하여 햅틱 상호작용을 조절하는 단계를 포함한다. 이러한 특징부들의 다양한 조합이 단계(310)에서 가능하다. At step 310 , the robotic device is controlled to limit movement of the surgical tool based on the tracked pose of the surgical tool and the pose of the one or more haptic objects. Restriction of the surgical tool may be achieved as described above with reference to FIG. 2 . In some embodiments, step 310 includes a two-step approach illustrated in FIGS. 4-5 and described with reference to the following. In some embodiments, step 310 includes, for example, providing a damping force that resists movement of the surgical tool through a particular region shown in FIGS. 9-10 and described with reference to below. In some embodiments, step 310 includes adjusting the haptic interaction in response to a user input, for example according to the example of FIGS. 11-13 described with reference to the following. Various combinations of these features are possible in step 310 .

단계(312)에서, 햅틱 대상(들)으로부터 수술 도구의 배출이 촉진되어, 즉 햅틱 대상의 제한을 해제한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 로봇 디바이스는 수술 도구가 햅틱 대상의 축을 따라 햅틱 대상을 빠져나가는 것을 허용하도록 제어된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 도 6 내지 도 7에 도시되고 아래에서 참조하여 상세하게 설명되는 바와 같이, 수술 도구는 햅틱 대상에 대해 미리 결정된 방향으로 햅틱 대상을 빠져나가는 것이 허용될 수 있다. 이로써 수술 도구는 수술 절차의 후속 단계를 용이하게 하기 위해 수술 영역 및 햅틱 대상으로부터 제거될 수 있다. 또한, 일부 경우에, 프로세스(300)는 단계(312)에서 햅틱 대상을 빠져 나온 후에 수술 도구가 동일하거나 상이한 햅틱 대상으로 안내되는 단계(308)로 복귀할 수 있다는 것을 이해해야 한다. In step 312, ejection of the surgical tool from the haptic object(s) is facilitated, ie, releasing the restrictions of the haptic object. For example, in some embodiments, the robotic device is controlled to allow a surgical tool to exit the haptic object along an axis of the haptic object. In some embodiments, as shown in, for example, FIGS. 6-7 and detailed below with reference, the surgical tool may be allowed to exit the haptic object in a predetermined direction relative to the haptic object. This allows surgical tools to be removed from the surgical area and haptic object to facilitate subsequent steps in the surgical procedure. It should also be understood that in some cases, process 300 may return to step 308 where the surgical tool is guided to the same or a different haptic object after exiting the haptic object at step 312 .

프로세스(300)는 수술 시스템(200)에 의해 실행되어 수술 절차를 용이하게 할 수 있다. 프로세스(300)의 특징부는 일부 실시예에 따라 하기 도 4-13에 도시되고, 이러한 특징부는 다양한 실시예에서 및/또는 특정 수술에 대해 선택된 설정에 기초하여 다양한 조합으로 조합될 수 있다. 또한, 도 4 내지 도 13의 특징부가 제공될 수 있는 동시에 프로세스(300)의 일부 또는 모든 단계가 생략되는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 모든 가능성은 본 개시의 범위 내에 있다. Process 300 may be executed by surgical system 200 to facilitate a surgical procedure. Features of the process 300 are illustrated below in FIGS. 4-13 in accordance with some embodiments, and such features may be combined in various embodiments and/or in various combinations based on selected settings for a particular surgery. It should also be understood that the features of FIGS. 4-13 may be provided while some or all steps of the process 300 are omitted. All such possibilities are within the scope of the present disclosure.

이제 도 4-5를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 2단계 햅틱 상호작용이 도시되어 있다. 도 4는 2단계 햅틱 상호작용을 제공하기 위한 프로세스(400)의 흐름도를 도시하고, 도 5는 (즉, 프로세스(400)의) 2단계 햅틱 상호작용의 스토리보드 스타일 예시를 도시한다. 프로세스(400)는 예를 들어 프로세스(300)의 단계(310)에서 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. Referring now to Figures 4-5, a two-step haptic interaction is illustrated in accordance with an exemplary embodiment. FIG. 4 shows a flow diagram of a process 400 for providing a two-step haptic interaction, and FIG. 5 shows a storyboard style example of a two-step haptic interaction (ie, of process 400). Process 400 may be executed, for example, by surgical system 200 at step 310 of process 300 .

단계(402)에서, 도구 중심 지점(TCP)(500)은 도구 중심 지점(500)에 대한 수술 도구(234)의 회전 및 라인 햅틱(502)을 따른 TCP(500)의 병진운동을 허용하면서 라인 햅틱(502)으로 제한된다. 라인 햅틱(502)은 계획된 뼈 변형, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 계획된 파일럿 홀(120)에 대응할 수 있다. 라인 햅틱(502)은 계획된 파일럿 홀(120)의 축으로서 정의될 수 있고, 해부학적 특징부(예를 들어, 대퇴골(101))을 넘어 연장되는 계획된 파일럿 홀(120)의 바닥(가장 깊은 단부)으로부터 연장될 수 있다. 라인 햅틱(502)은 도 5의 예에서 직선이다. 다른 실시예에서, 라인 햅틱(502)은 만곡될 수 있으며, 예를 들어 스플라인으로 정의된다. 다른 실시예에서, 도 4의 프로세스(400)는 평면 햅틱 대상, 체적 햅틱 대상, 또는 라인 햅틱(502) 대신에 선, 평면, 및/또는 체적의 임의의 조합으로 정의되는 햅틱 대상을 사용하도록 적응될 수 있다. At step 402 , tool center point (TCP) 500 is lined while allowing rotation of surgical tool 234 relative to tool center point 500 and translation of TCP 500 along line haptic 502 . Limited to haptics 502 . The line haptic 502 may correspond to a projected bone deformation, eg, a projected pilot hole 120 as shown in FIG. 1 . Line haptic 502 may be defined as the axis of projected pilot hole 120 , and the bottom (deepest end) of projected pilot hole 120 extending beyond an anatomical feature (eg, femur 101 ). ) can be extended from Line haptic 502 is a straight line in the example of FIG. 5 . In other embodiments, the line haptic 502 may be curved, for example defined as a spline. In another embodiment, process 400 of FIG. 4 is adapted to use a haptic object defined as any combination of line, plane, and/or volume in place of a planar haptic object, a volumetric haptic object, or line haptic 502 . can be

TCP(500)는 라인 햅틱(502)에 대해 추적되고, 로봇 디바이스는 TCP(500)를 제한하도록 제어되어 라인 햅틱 상에 또는 실질적으로 라인 햅틱(502) 상에 유지된다(예를 들어, 라인 햅틱(502)으로부터의 편차를 방지하거나 저항하도록 TCP(500)를 라인 햅틱(502)으로 다시 구동하는 스프링력 등). TCP(500)는 단계(402)에서 라인 햅틱(502)을 따라 병진운동될 수 있다. 로봇 디바이스는 (예를 들어, 어드미턴스 제어를 통해) 수술 도구(234)가 TCP(500)를 중심으로 (예를 들어, 사용자에 의해 조작될 때) 회전될 수 있도록 제어된다. 즉, 수술 도구(234)의 핸들 또는 몸체 부분을 따라 위치된 제2 상호작용 지점(SIP)(504)이 단계(402)에서 제한되지 않는다. TCP 500 is tracked for line haptic 502 , and the robotic device is controlled to constrain TCP 500 to remain on or substantially on line haptic 502 (eg, line haptic). a spring force that drives TCP 500 back to line haptic 502 to prevent or resist deviation from 502, etc.). TCP 500 may be translated along line haptic 502 in step 402 . The robotic device is controlled (eg, via admittance control) such that the surgical tool 234 can be rotated (eg, when manipulated by a user) about the TCP 500 . That is, the second interaction point (SIP) 504 positioned along the handle or body portion of the surgical tool 234 is not limited at step 402 .

단계(402)에서 TCP(500)에 대한 수술 도구(234)의 회전은 외과의사가 바람직한 접근 궤적을 따라 라인 햅틱(502)에 도달하는 것을 용이하게 할 수 있다. 일부 경우에, 주변의 연조직 및/또는 뼈 구조는 주변 조직 또는 뼈에 대한 바람직하지 못하거나 또는 불필요한 중단 없이(예를 들어, 이러한 조직 또는 뼈를 통해 홀을 형성할 필요 없이) 라인 햅틱(502)을 따라 뼈 표면으로 환자의 완전히 외측의 위치로부터 수술 도구(234)가 삽입되는 것을 어렵거나 불가능하게 만들 수 있다. 이러한 경우에, 수술 도구(234)는 TCP(500)가 라인 햅틱(502)에 도달하고 라인 햅틱(502)에 의해 제한될 때까지 선호되는 궤적을 따라 삽입될 수 있다. 단계(402)에서, 수술 도구(234)는 수술 도구의 샤프트 또는 몸체의 측면으로 해부학적 특징부를 가압함으로써 해부학적 특징부를 변위시키도록 회전될 수 있다. TCP(500)를 라인 햅틱(502)으로 제한함으로써, 외과의사는 TCP(500)의 위치를 모니터링하고 및/또는 원하는 축으로부터 이격되게 TCP(500)의 이동을 수동으로 방지하려는 시도의 부담 없이 단계(402)에서 원하는 대로 수술 도구(234)를 회전시키는 데 집중할 수 있다. 이에 따라 단계(402)는 다양한 해부학적 영역에서 수술 도구(234)의 삽입 및 배향을 용이하게 할 수 있다. Rotation of surgical tool 234 relative to TCP 500 at step 402 may facilitate the surgeon to reach line haptic 502 along a desired approach trajectory. In some cases, the surrounding soft tissue and/or bone structures can be line haptic 502 without undesirable or unnecessary disruption to the surrounding tissue or bone (eg, without the need to form a hole through such tissue or bone). may make it difficult or impossible to insert the surgical tool 234 from a position completely external to the patient into the bone surface along the In this case, the surgical tool 234 may be inserted along the preferred trajectory until the TCP 500 reaches the line haptic 502 and is constrained by the line haptic 502 . At step 402 , the surgical tool 234 may be rotated to displace the anatomical feature by forcing it to the side of the body or shaft of the surgical tool. By limiting TCP 500 to line haptics 502, the surgeon monitors the position of TCP 500 and/or steps ( At 402 , the focus may be on rotating the surgical tool 234 as desired. Step 402 may accordingly facilitate insertion and orientation of surgical tool 234 in various anatomical regions.

단계(404)에서, TCP(500)가 라인 햅틱(502)을 따라 임계 위치에 도달했다는 결정이 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 이루어진다. 일부 경우에, 임계 위치는 수술 도구(234)가 뼈와 접촉하기 전에 임계 위치에 도달하도록 뼈(예를 들어, 대퇴골(101))의 표면으로부터 이격된 거리에 기초하여 정의된다. 이러한 경우에, 수술 도구(234)가 뼈를 변경하기 시작하기 전에 단계(406-408)가 아래에서 설명되는 바와 같이 실행될 수 있고, 이에 의해 뼈 변경의 시작 전에 수술 도구(234)의 원하는 배향을 보장할 수 있다. At step 404 , a determination is made (eg, by processing circuitry 260 ) that TCP 500 has reached a threshold position along line haptic 502 . In some cases, the critical position is defined based on a distance spaced apart from the surface of the bone (eg, the femur 101 ) such that the surgical tool 234 reaches the critical position before contacting the bone. In such a case, steps 406 - 408 may be performed as described below before the surgical tool 234 begins to alter the bone, thereby establishing the desired orientation of the surgical tool 234 prior to initiating the bone altering. can guarantee

다른 경우에, 임계 위치는 뼈의 표면 아래의 깊이에 기초하여 정의되어, 수술 도구(234)가 뼈와 접촉한 후에 임계 위치에 도달하도록 한다. 이러한 경우에, 수술 도구(234)는 예를 들어 스카이빙의 위험성을 감소시키고 또는 그렇지 않으면 뼈 내로 수술 도구(234)의 진입을 용이하게 하기 위해 단계(406-408)에 관해 후술된 바와 같이 라인 햅틱(502)과 정렬되도록 회전하기 전에 제1 배향으로 뼈를 변경을 시작하도록 허용할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상부 프레임에 도시된 바와 같이(즉, 단계 402 동안) 수술 도구가 뼈의 표면에 대략 수직인 수술 도구(234)와 뼈(101) 사이에 초기 접촉이 이루어질 수 있으며, 이는 계획된 위치에서(즉, 라인 햅틱(502)와 뼈(101) 사이의 교차점) 뼈(101) 내로 깨끗한 초기 절단/보어/드릴/등의 달성 경향이 개선될 수 있다. 이러한 경우에, TCP(500)가 임계 위치에 도달했다는 결정은 그 뒤에 수술 도구(234)가 뼈(101)로 초기 침투한 후에 이루어질 수 있다(즉, TCP(500)가 뼈(101)의 표면을 횡단하도록). In other cases, the critical position is defined based on a depth below the surface of the bone, such that the critical position is reached after the surgical tool 234 comes into contact with the bone. In this case, the surgical tool 234 may be, for example, line haptic as described below with respect to steps 406 - 408 to reduce the risk of skiving or otherwise facilitate entry of the surgical tool 234 into the bone. may allow the bone to begin to change to the first orientation before rotating to align with 502 . As shown in FIG. 5 , for example, as shown in the upper frame (ie, during step 402 ), the surgical tool makes initial contact between the bone 101 and the surgical tool 234 approximately perpendicular to the surface of the bone. This can be done, which can improve the tendency to achieve a clean initial cut/bore/drill/etc into the bone 101 at the planned location (ie, the intersection between the line haptic 502 and the bone 101 ). In this case, a determination that TCP 500 has reached the critical position may then be made after initial penetration of surgical tool 234 into bone 101 (ie, TCP 500 has reached the surface of bone 101 ). to cross).

단계(406)에서, TCP(500)가 단계(404)에서 임계 위치에 도달했다는 결정에 응답하여, SIP(504)는 라인 햅틱(502)을 향해 안내된다. 일부 실시예에서, 로봇 디바이스는 라인 햅틱(502)을 향하여 SIP(504)를 이동시키기 위해 사용자가 TCP(500) 주위에서 수술 도구(234)를 회전시키는 것을 돕는 보조 힘을 제공하도록 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 라인 햅틱(502)을 향한 SIP(504)의 회전을 허용하면서 라인 햅틱(502)으로부터 멀어지는 SIP(504)의 회전을 방지하는 축소 햅틱 대상이 단계(406)에서 사용된다. 일부 실시예에서, SIP(504)를 라인 햅틱(502)으로 안내하는 것은 디스플레이(264)를 통해 명령을 표시함으로써 달성된다. 일부 실시예에서, 라인 햅틱(502)을 향해 SIP(504)를 안내하는 것은 SIP(504)를 라인 햅틱(502)과 정렬하기 위해 수술 도구(234)를 자동으로 회전시키도록 로봇 디바이스를 제어함으로써 달성된다. TCP(500)는 단계(406) 동안(즉, SIP(504)가 라인 햅틱(502)으로 안내되는 동안) 라인 햅틱(502)으로 제한된다(단계(402)에 대해 설명됨). 일부 경우에, 로봇 디바이스는 SIP(504)가 단계(406) 동안 라인 햅틱(502)으로 안내되는 동안 라인 햅틱(502)을 따라 TCP(500)의 병진운동을 방지하도록 제어된다. At step 406 , in response to determining that the TCP 500 has reached the threshold position at step 404 , the SIP 504 is directed towards the line haptic 502 . In some embodiments, the robotic device may control to provide an assistive force to help the user rotate the surgical tool 234 around the TCP 500 to move the SIP 504 towards the line haptic 502 . . In some embodiments, a reduced haptic object is used in step 406 that allows rotation of the SIP 504 towards the line haptic 502 while preventing rotation of the SIP 504 away from the line haptic 502 . In some embodiments, directing the SIP 504 to the line haptic 502 is accomplished by presenting a command via the display 264 . In some embodiments, guiding the SIP 504 towards the line haptic 502 may be accomplished by controlling the robotic device to automatically rotate the surgical tool 234 to align the SIP 504 with the line haptic 502 . is achieved TCP 500 is limited to line haptics 502 (described with respect to step 402 ) during step 406 (ie, while SIP 504 is guided to line haptics 502 ). In some cases, the robotic device is controlled to prevent translation of the TCP 500 along the line haptic 502 while the SIP 504 is guided to the line haptic 502 during step 406 .

단계(408)에서, SIP(504)가 단계(406)의 결과로서 라인 햅틱(502)으로 안내된 후, 로봇 디바이스는 TCP(500) 및 SIP(504)를 라인 햅틱(502)으로 제한하도록 제어된다. (예를 들어, 파일럿 홀(120)을 생성하기 위해) 계획된 뼈 변경을 실행하기 위해 라인 햅틱(502)을 따라 수술 도구(234)가 병진운동할 수 있다. 도시된 예에서, SIP(504)는 수술 도구(234)의 축을 따라 위치된다. 따라서, 라인 햅틱(502)(즉, TCP(500) 및 SIP(504))에 대한 다른 수술 도구(234)의 두 지점을 제한함으로써 라인 햅틱(502)과 수술 도구(234)의 정렬이 유지된다. 다른 실시예에서, SIP(504)는 제2 햅틱(즉, 라인 햅틱(502)과 상이한 가상 햅틱 대상)으로 안내된다. 이러한 실시예에서, TCP(500) 및 SIP(504)는 상이한 햅틱 대상로 제한된다. 예를 들어, 수술 도구(234)가 만곡된 경우, SIP(504)는 곡선으로 제한될 수 있고 TCP(500)는 직선으로 제한될 수 있고(또는 그 반대로) 수술 도구(234)의 원하는 자유도 및 이동 제한이 달성된다.In step 408 , after SIP 504 is guided to line haptic 502 as a result of step 406 , the robotic device controls TCP 500 and SIP 504 to limit to line haptic 502 . do. The surgical tool 234 may translate along the line haptic 502 to effect the planned bone alteration (eg, to create the pilot hole 120 ). In the illustrated example, the SIP 504 is positioned along the axis of the surgical tool 234 . Accordingly, the alignment of the line haptic 502 and the surgical tool 234 is maintained by limiting two points of the other surgical tool 234 to the line haptic 502 (ie, TCP 500 and SIP 504 ). . In another embodiment, the SIP 504 is guided to a second haptic (ie, a virtual haptic object different from the line haptic 502 ). In this embodiment, TCP 500 and SIP 504 are limited to different haptic objects. For example, if surgical tool 234 is curved, SIP 504 may be constrained to a curve and TCP 500 may be constrained to a straight line (or vice versa) and the desired degree of freedom of surgical tool 234 . and movement restrictions are achieved.

SIP(504) 및 TCP(500)에 대해 상이한 햅틱 대상을 사용함으로써 다른 기하학적 구조 및 거동이 또한 가능해질 수도 있다. 예를 들어, TCP(500)는 계획된 절단 또는 드릴 경로의 기하학적 구조에 대응하는 햅틱 대상에 제한될 수 있고 SIP(504)는 수술 영역에서 하나 이상의 대상과 수술 도구(234)의 샤프트(또는 로봇 팔 상의 다른 지점) 사이의 충돌을 방지하거나 저항하도록 구성된 상이한 햅틱 대상에 제한된다. 예를 들어, SIP(504)는 수술 영역(예를 들어, 추적된 견인기 위치)에서 견인기 또는 다른 도구의 위치에 기초한 기하학적 구조를 갖는 햅틱 대상으로 제한될 수 있다. 다른 예로서, SIP(504)는, 예를 들어 수술 도구(234)의 샤프트가 계획된 뼈 준비의 실행 동안에 연장되는 수술 포트 또는 다른 절개부 또는 개구의 형상에 대응하는 해부학적 특징부의 위치에 기초하여 기하학적 구조를 갖는 햅틱 대상으로 제한될 수 있다. 이에 따라 로봇 디바이스의 제어는 TCP(502)를 제1 햅틱 대상으로 제한하고 SIP를 계획된 골 준비에 따라 TCP(502)를 안내하기 위해 SIP(504)를 제2 햅틱 대상으로 제한하도록 구성되고 동시에 SIP(504)를 제한함으로써 도구 샤프트의 원치 않는 거동을 방지한다. 따라서 프로세스(400)는 신뢰할 수 있고 직관적인 방식으로 정확한 뼈 변형을 제공하기 위해 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. Other geometries and behaviors may also be possible by using different haptic objects for SIP 504 and TCP 500 . For example, TCP 500 may be limited to a haptic object corresponding to the geometry of a planned cutting or drill path and SIP 504 may be limited to one or more objects in the surgical area and a shaft (or robotic arm) of surgical tool 234 . are limited to different haptic objects configured to prevent or resist collisions between different points on the image. For example, SIP 504 may be limited to a haptic object having a geometry based on the position of the retractor or other instrument in the surgical area (eg, tracked retractor position). As another example, the SIP 504 may be configured based on the location of an anatomical feature corresponding to the shape of a surgical port or other incision or opening, eg, through which the shaft of the surgical tool 234 extends during execution of the planned bone preparation. It may be limited to haptic objects with geometrical structures. Accordingly, the control of the robotic device is configured to restrict TCP 502 to a first haptic object and to restrict SIP 504 to a second haptic object to guide TCP 502 according to the planned bone preparation and simultaneously SIP. Limiting 504 prevents unwanted movement of the tool shaft. Thus, process 400 may be executed by surgical system 200 to provide accurate bone deformation in a reliable and intuitive manner.

이제 도 6 내지 도 7을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 햅틱 대상으로부터 수술 도구의 배출을 용이하게 하기 위한 프로세스(600)가 도시되어 있다. 도 6은 프로세스(600)의 흐름도를 도시하고, 도 7은 도 6의 프로세스(600)와 함께 사용될 수 있는 햅틱 대상을 도시한다. 프로세스(600)는 예를 들어 프로세스(300)의 단계(312)에서 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. 도 6-7의 예가 원통형 햅틱 대상을 고려하지만, 프로세스(600)는 다양한 기하학적 형상을 갖는 대상을 제어하도록 적응될 수 있다는 것을 이해해야 한다. Referring now to FIGS. 6-7 , shown is a process 600 for facilitating ejection of a surgical tool from a haptic object in accordance with an exemplary embodiment. 6 shows a flow diagram of a process 600 , and FIG. 7 shows a haptic object that may be used with the process 600 of FIG. 6 . Process 600 may be executed, for example, by surgical system 200 at step 312 of process 300 . 6-7 contemplates cylindrical haptic objects, it should be understood that process 600 may be adapted to control objects having various geometries.

단계(602)에서, 로봇 디바이스는 원통형 햅틱 대상으로 수술 도구(234)를 제한하도록 제어된다. 도 7은 타겟 축(702)에 중심을 둔 원통형 햅틱 대상(700)의 예를 도시한다. 일부 실시예에서, 원통형 햅틱 대상(700)은 외과적 접근 궤적 및/또는 계획된 뼈 변형(예를 들어, 계획된 파일럿 홀(120))에 대응한다. 원통형 햅틱 대상(700)은 민감한 해부학적 영역을 실질적으로 넘어(그로부터 이격되어) 연장될 수 있다. 수술 도구(234)가 원통형 햅틱 대상(700)에 제한된 상태에서, 수술 도구(234)는 수술 영역에 대한 접근을 부분적으로 방해할 수 있다. 따라서, 외과의사의가 수술 절차의 다양한 단계를 용이하게 하기 위해 안전한 방향으로 원통형 햅틱 대상(700)의 외부로 수술 도구를 이동시키는 것이 바람직할 수 있다. At step 602 , the robotic device is controlled to confine the surgical tool 234 to a cylindrical haptic object. 7 shows an example of a cylindrical haptic object 700 centered on target axis 702 . In some embodiments, the cylindrical haptic object 700 corresponds to a surgical access trajectory and/or a projected bone deformation (eg, projected pilot hole 120 ). Cylindrical haptic object 700 may extend substantially beyond (spaced from) the sensitive anatomical region. With surgical tool 234 confined to cylindrical haptic object 700 , surgical tool 234 may partially impede access to the surgical area. Accordingly, it may be desirable for the surgeon to move the surgical tool out of the cylindrical haptic object 700 in a safe direction to facilitate various steps of the surgical procedure.

단계(604)에서, 원통형 햅틱 대상의 경계에 대해 가해지는 수술 도구(234) 상의 힘이 검출된다. 힘은 예를 들어 로봇 팔(232)의 관절에 가해지는 렌치로서 로봇 디바이스(220)에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 수술 도구(234)와 연관된 HIP는 원통형 햅틱 대상(700)의 경계에 위치될 수 있는 한편 사용자가 경계에 대해 또는 경계 안으로 수술 도구(234)을 가압하는 힘을 수술 도구(234)에 힘을 가한다. At step 604 , a force on the surgical tool 234 applied against the boundary of the cylindrical haptic object is detected. The force may be detected by the robotic device 220 , for example as a wrench applied to a joint of the robotic arm 232 . For example, a HIP associated with surgical tool 234 may be positioned at the boundary of cylindrical haptic object 700 while the user exerts a force to press surgical tool 234 against or into the boundary of surgical tool 234 . apply force to

단계(606)에서, 단계(604)에서 검출된 힘이 미리 결정된 배출 방향으로 배향되는지 여부에 대한 결정이 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 이루어진다. 미리 결정된 배출 방향은 수술 도구(234)가 햅틱 대상을 배출하도록 허용될 수 있는 안전하고 및/또는 편리한 방향으로서 선택될 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 배출 방향은 원통형 햅틱 대상(700)의 배출 영역(704) 및 배출 영역(704)에서 원통형 햅틱 대상(700)로부터 연장되는 벽(706)에 의해 정의된다. 이러한 예에서, 처리 회로(260)는, 힘이 원통형 햅틱 대상(700)의 경계에 대항하기 때문에 수술 도구(234)의 HIP가 배출 영역(704)에 있는 경우 힘이 미리 결정된 배출 방향으로 배향된다고 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 배출 영역(704)은 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 데드 존(708)으로 차단되는 햅틱 대상(700)의 길이의 일부에만 걸쳐 있다. 다른 예로서, 일부 실시예에서 처리 회로(260)는 사용자가 도구를 가압하는 방향을 향하는 방향 벡터를 결정할 수 있다. 이러한 경우, 방향 벡터가 미리 결정된 배출 방향의 임계 각도 내에 있는지 여부를 결정할 수 있다. 이 예에서, 방향 벡터가 미리 결정된 배출 방향의 임계 각도 내에 있다면, 힘은 미리 결정된 배출 방향으로 지향되는 것으로 간주된다(즉, 단계(606)에서 "예"). 결과적인 배출 경계는 깔때기 형상을 취할 수 있다. At step 606 , a determination is made (eg, by processing circuitry 260 ) as to whether the force detected at step 604 is oriented in a predetermined ejection direction. The predetermined ejection direction may be selected as a safe and/or convenient direction in which the surgical tool 234 may be allowed to eject the haptic object. For example, the predetermined ejection direction is defined by an ejection region 704 of the cylindrical haptic object 700 and a wall 706 extending from the cylindrical haptic object 700 in the ejection region 704 . In this example, the processing circuit 260 determines that the force is oriented in a predetermined ejection direction when the HIP of the surgical tool 234 is in the ejection area 704 because the force opposes the boundary of the cylindrical haptic object 700 . can decide In some embodiments, the ejection area 704 spans only a portion of the length of the haptic object 700 that is blocked by a dead zone 708 , for example, as shown in FIG. 7 . As another example, in some embodiments processing circuitry 260 may determine a direction vector toward a direction in which the user is pressing the tool. In this case, it may be determined whether the direction vector is within a predetermined critical angle of the discharge direction. In this example, if the direction vector is within a critical angle of the predetermined ejection direction, the force is considered directed in the predetermined ejection direction (ie, “Yes” at step 606 ). The resulting discharge boundary may take the shape of a funnel.

힘이 미리 결정된 배출 방향으로 배향되지 않은 경우, 프로세스(600)는 단계(602)로 돌아가고 수술 도구(234)는 원통형 햅틱 대상(700)로 제한된다. 즉, 로봇 디바이스(220)는 예를 들어, 수술 절차의 하나 이상의 단계를 용이하게 하기 위해 수술 도구가 원통형 햅틱 대상(700)에서 배출되는 것을 제한하도록 힘 피드백을 제공하게 제어된다. If the force is not directed in the predetermined ejection direction, process 600 returns to step 602 and surgical tool 234 is limited to cylindrical haptic object 700 . That is, the robotic device 220 is controlled to provide force feedback to limit ejection of the surgical tool from the cylindrical haptic object 700 , for example, to facilitate one or more steps of a surgical procedure.

힘이 미리 결정된 배출 방향으로 배향되면(단계(606)에서 결정된 바와 같이), 힘이 힘의 임계량보다 큰지 여부에 관한 결정이 단계(608)에서 이루어진다(예를 들어, 처리 회로(260)에 의해). 일부 실시예에서, 수술 도구(234)에 가해진 힘의 양은 로봇 팔(232)의 관절에 의해 측정될 수 있다. 사용자는 힘의 임계량을 초과함으로써 햅틱 대상을 배출하려는 욕구를 나타낼 수 있는 반면, 힘의 임계량은 햅틱 대상으로부터 우발적이거나 또는 의도하지 않은 배출을 실질적으로 방지하기에 충분히 높게 설정될 수 있다. Once the force is oriented in a predetermined ejection direction (as determined in step 606 ), a determination is made in step 608 as to whether the force is greater than a threshold amount of force (eg, by processing circuitry 260 ). ). In some embodiments, the amount of force applied to the surgical tool 234 may be measured by the articulation of the robotic arm 232 . A user may indicate a desire to eject the haptic object by exceeding a threshold amount of force, while the threshold amount of force may be set high enough to substantially prevent accidental or unintentional ejection from the haptic object.

힘이 힘의 임계량보다 작은 경우, 로봇 디바이스(220)는 수술 도구(234)가 햅틱 대상을 배출하는 것을 제한하도록 제어된다(예를 들어, 원통형 햅틱 대상(700)의 배출 영역(704)을 통과하는 것으로부터). 프로세스(600)는 단계(602)로 돌아가고 수술 도구(234)는 수술 절차의 단계를 실행할 때 수술 도구(234)의 사용을 용이하게 하기 위해 원통형 햅틱 대상(700)로 계속 제한된다. If the force is less than a threshold amount of force, the robotic device 220 is controlled to restrict the surgical tool 234 from ejecting the haptic object (eg, passing through the ejection area 704 of the cylindrical haptic object 700 ). from doing). Process 600 returns to step 602 and surgical tool 234 continues to be limited to cylindrical haptic object 700 to facilitate use of surgical tool 234 when performing steps of a surgical procedure.

힘이 단계(608)에서 힘의 임계량을 초과하는 것으로 결정되면, 단계(610)에서 수술 도구는 미리 결정된 배출 방향으로 햅틱 대상을 배출하는 것을 허용한다. 도 7의 예에서, 배출 영역(704)과 관련된 제약이 제거되어 수술 도구(234)가 배출 영역(704)을 통해 이동하여 원통형 햅틱 대상(700)이 배출되는 것이 허용된다. 벽(706)은 미리 결정된 방향으로 축(702)으로부터 이격되게 수술 도구(234)를 안내하기 위해 햅틱 경계로서 포함될 수 있다. 다시 말해서, 수술 도구(234)는 원통형 햅틱 대상(700)의 배출 영역(704)을 가로질러 가압되어 원통형 햅틱 대상을 미리 결정된 방향으로 배출할 수 있다. If the force is determined to exceed a threshold amount of force in step 608 , then in step 610 the surgical tool allows ejecting the haptic object in a predetermined ejection direction. In the example of FIG. 7 , the constraint associated with the ejection region 704 is removed to allow the surgical tool 234 to move through the ejection region 704 to eject the cylindrical haptic object 700 . Wall 706 may be included as a haptic boundary to guide surgical tool 234 away from axis 702 in a predetermined direction. In other words, the surgical tool 234 may be pressed across the ejection area 704 of the cylindrical haptic object 700 to eject the cylindrical haptic object in a predetermined direction.

따라서, 수술 도구(234)는 햅틱 대상을 배출시키도록 허용되어, 로봇 디바이스는 수술 도구(234)를 햅틱 대상으로 제한하도록 더 이상 제어되지 않는다. 일부 경우에, 수술 도구(234)는 배출 영역(704)을 통해 및/또는 임의의 다른 햅틱 개시 절차를 사용하여(예를 들어, 도 8의 프로세스에 이어) 햅틱 대상으로 재삽입될 수 있다(즉, 햅틱 제약을 다시 시작하기 위해). 일부 경우에, 수술 도구(234)가 햅틱 대상을 배출할 때 햅틱 대상이 제거(삭제 등)된다. 일부 경우에, 햅틱 대상이 조절되거나 또는 새로운 햅틱 대상이 활성화되어 수술 절차의 후속 단계를 용이하게 한다. 프로세스(600)는 이에 따라 수술 절차를 용이하게 하기 위해 수술 절차에 의해 1회 이상 실행될 수 있다. Accordingly, the surgical tool 234 is allowed to eject the haptic object so that the robotic device is no longer controlled to limit the surgical tool 234 to the haptic object. In some cases, surgical tool 234 may be reinserted into the haptic object via ejection region 704 and/or using any other haptic initiation procedure (eg, following the process of FIG. 8 ). i.e. to restart the haptic constraint). In some cases, the haptic object is removed (deleted, etc.) when the surgical tool 234 ejects the haptic object. In some cases, the haptic object is adjusted or a new haptic object is activated to facilitate subsequent steps in the surgical procedure. Process 600 may thus be executed one or more times by a surgical procedure to facilitate the surgical procedure.

이제 도 8을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 가상 제어 대상(예를 들어, 햅틱 대상)으로 수술 도구를 안내하기 위한 프로세스(800)를 예시하는 흐름도가 도시되어 있다. 프로세스(800)는 예를 들어 프로세스(300)의 단계(308)에서 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. Referring now to FIG. 8 , there is shown a flow diagram illustrating a process 800 for guiding a surgical tool to a virtual control object (eg, a haptic object) in accordance with an example embodiment. Process 800 may be executed, for example, by surgical system 200 at step 308 of process 300 .

단계(802)에서, 가상 제어 대상이 설정된다. 즉, 가상의 제어 대상이 생성되고 가상 제어 대상의 자세가 정의된다. 가상 제어 대상은 도 2를 참조하여 위에서 상세히 설명된 바와 같이 점 대상, 선 대상, 평면 대상, 또는 3차원 표면 또는 체적 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 경우에 가상 제어 대상은 햅틱 대상이다. 프로세스(800)는 다양한 형상을 갖는 다양한 가상 제어 대상과 함께 사용하도록 적응될 수 있다. In step 802, a virtual control object is established. That is, a virtual control target is created and the posture of the virtual control target is defined. The virtual control object may include one or more of a point object, a line object, a planar object, or a three-dimensional surface or volume as detailed above with reference to FIG. 2 . In some cases the virtual control object is a haptic object. Process 800 may be adapted for use with various virtual control objects having various shapes.

단계(804)에서, 수술 도구(234)의 이동이 (예를 들어, 추적 시스템(222)에 의해) 추적된다. 예를 들어, 수술 도구(234)와 연관된 지점(예를 들어, 도구 중심 지점)의 위치는 시간에 따라 결정되고 업데이트될 수 있다. 지점의 위치는 가상 제어 대상에 대해, 즉 가상 제어 대상의 자세가 또한 정의되는 좌표계에서 정의될 수 있다. 수술 도구(234)는 사용자의 조작에 의해 이동될 수 있다. At step 804 , movement of the surgical tool 234 is tracked (eg, by the tracking system 222 ). For example, the location of a point associated with surgical tool 234 (eg, a tool center point) may be determined and updated over time. The position of the point may be defined with respect to the virtual control object, ie in a coordinate system in which the posture of the virtual control object is also defined. The surgical tool 234 may be moved by a user's manipulation.

단계(806)에서, 수술 도구의 이동 방향이 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 결정된다. 예를 들어, 수술 도구(234)과 연관된 지점의 위치는 위치 데이터의 시계열을 획득하기 위해 시간에 따라 반복적으로 수집될 수 있다. 2개의 위치가 주어지면(예를 들어, 후속 시간 단계에 대해), 수술 도구(234)의 이동 방향을 특징으로 하는 벡터(예를 들어, 속도 벡터)가 정의될 수 있다. 일부 경우에, 이동 속도(예를 들어, 속도 벡터의 크기)는 사용된 위치 사이의 거리와 이들 데이터 지점 수집 사이의 경과 시간을 기반으로 결정된다. 일부 경우에, 프로세스(800)는 속도 벡터의 크기가 임계값을 초과하지 않는 한 단계(808)로 진행하지 않는다. At step 806 , a direction of movement of the surgical tool is determined (eg, by processing circuitry 260 ). For example, the location of a point associated with the surgical tool 234 may be repeatedly collected over time to obtain a time series of location data. Given two positions (eg, for a subsequent time step), a vector (eg, velocity vector) characterizing the direction of movement of the surgical tool 234 may be defined. In some cases, the speed of movement (eg, the magnitude of the speed vector) is determined based on the distance between the locations used and the elapsed time between collecting these data points. In some cases, process 800 does not proceed to step 808 unless the magnitude of the velocity vector exceeds a threshold.

단계(808)에서, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지 여부에 관한 결정이 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 이루어진다. 예를 들어, 단계(806)에서 결정된 속도 벡터는 수술 도구의 최근 추적된 위치로부터 이동 방향으로 (예를 들어, 무한히) 확장될 수 있다. 예를 들어, 확장된 속도 벡터가 가상 제어 대상과 교차하는 경우, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는 것으로 결정될 수 있다. 확장된 속도 벡터가 가상 제어 대상과 교차하지 않는 경우, 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하지 않는 것으로 결정될 수 있다. 다양한 다른 통계적 방법, 좌표 변환 등이 수술 도구의 이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지의 여부를 결정하기 위해 다양한 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 타겟 체적은 가상 제어 대상에서(예를 들어, 그 주변에서, 인접하여, 그로부터 연장되는) 정의되고, 이동 방향은 확장된 속도 벡터가 타겟 체적과 교차하는 경우 가상 제어 대상을 향하는 것으로 결정될 수 있다. 가상의 제어 대상이 선인 경우, 타겟 체적은 예를 들어 선을 중심으로 하는 원통으로 정의될 수 있다.At step 808 , a determination is made (eg, by processing circuitry 260 ) as to whether the direction of movement is towards the virtual control object. For example, the velocity vector determined in step 806 may extend (eg, indefinitely) in the direction of movement from the most recently tracked position of the surgical tool. For example, when the extended velocity vector intersects the virtual control object, it may be determined that the moving direction is toward the virtual control object. When the extended velocity vector does not intersect the virtual control object, it may be determined that the moving direction does not face the virtual control object. Various other statistical methods, coordinate transformations, etc. may be used in various embodiments to determine whether the direction of movement of the surgical tool is toward the virtual control object. For example, in some embodiments a target volume is defined at (eg, around, adjacent to, extending from) a virtual control object, and the direction of movement is virtual control when the expanded velocity vector intersects the target volume. It can be determined to be directed towards the target. When the virtual control object is a line, the target volume may be defined as, for example, a cylinder centered on the line.

이동 방향이 가상 제어 대상을 향하지 않는 경우, 프로세스(800)는 수술 도구(234)의 이동이 추적되는 단계(804)로 복귀한다. 단계(804-808)는 이동 방향이 가상 제어 대상을 향할 때까지 반복될 수 있다. If the direction of movement is not towards the virtual control object, the process 800 returns to step 804 where the movement of the surgical tool 234 is tracked. Steps 804-808 may be repeated until the direction of movement is toward the virtual control object.

이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는 것으로 결정되면, 단계(810)에서 로봇 디바이스(220)는 수술 도구(234)를 가상 제어 대상으로 안내하는 힘을 제공하도록 제어된다. 예를 들어, 사용자가 가상 제어 대상을 향해 수술 도구(234)를 이동시키는 것을 보조하는 양의 보조 힘이 제공될 수 있다. 사용자에 의해 제공되는 외력 없이는 수술 도구(234)를 독립적으로 움직이기에는 양의 보조 힘이 불충분할 수 있다. 일부 경우에, 단계(810)에서 가해진 힘은 수술 도구가 (사용자 조작 없이) 가상 제어 대상으로 자동으로 이동하게 한다. 다른 예로서, 일부 실시예에서 힘은 수술 도구(234)가 가상 제어 대상으로부터 멀어지는 이동 및/또는 가상 제어 대상을 향한 이동 방향으로부터의 편차를 제한하는 햅틱 경계(예를 들어, 붕괴되는 햅틱 경계)로서 제공된다.If it is determined that the direction of movement is toward the virtual control object, in step 810 the robotic device 220 is controlled to provide a force to guide the surgical tool 234 toward the virtual control object. For example, a positive assisting force may be provided to assist the user in moving the surgical tool 234 towards the virtual control object. The positive assist force may be insufficient to independently move the surgical tool 234 without an external force provided by the user. In some cases, the force applied at step 810 causes the surgical tool to automatically move (without user intervention) to the virtual control object. As another example, in some embodiments a force is a haptic boundary (eg, a collapsing haptic boundary) that limits deviations from the direction of movement of the surgical tool 234 away from and/or toward the virtual control object. is provided as

이로써, 수술 시스템(200)은 가상 제어 대상을 향한 수술 도구의 사용자 개시 이동에 응답하여 사용자가 수술 도구를 가상 제어 대상으로 이동시키는 것을 용이하게 하기 위해 프로세스(800)를 실행할 수 있다. 예를 들어, 가상 제어 대상의 사용이 요구되기 전에 수술 도구(234), 로봇 팔(232), 해부학적 구조, 다른 수술 장비 등을 적절하게 위치시키기 위해 가상 제어 대상으로부터 멀어지는 수술 도구의 다양한 이동이 바람직할 수 있다. 프로세스(800)는 수술 도구가 가상 제어 대상을 향해(예를 들어, 가상 제어 대상이 위치한 수술 분야를 향해) 이동될 때까지 수술 도구가 자유롭게 이동될 수 있는 사용자 친화적이고 효율적인 워크플로우를 제공하고, 이 지점에서 시스템(200)은 가상 제어 대상에 대한 수술 도구의 안내를 자동으로 개시한다. As such, surgical system 200 may execute process 800 to facilitate a user moving a surgical tool to a virtual control object in response to a user initiated movement of the surgical tool toward the virtual control object. For example, various movements of the surgical tool away from the virtual control object to properly position the surgical tool 234 , robotic arm 232 , anatomy, other surgical equipment, etc. before use of the virtual control object is required. may be desirable. Process 800 provides a user-friendly and efficient workflow in which surgical tools can be moved freely until they are moved towards a virtual control object (eg, towards a surgical field in which the virtual control object is located); At this point, the system 200 automatically initiates guiding the surgical tool to the virtual control object.

이제 도 9 내지 도 10을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 감쇠 구역을 포함하는 햅틱 상호작용을 제공하기 위한 프로세스가 도시되어 있다. 도 9는 감쇠 구역을 포함하는 햅틱 상호작용을 제공하기 위한 프로세스(900)를 도시하는 반면, 도 10은 감쇠 구역을 포함하는 예시적인 햅틱 대상을 도시한다. 프로세스(900)는 예를 들어 프로세스(300)의 단계(310)에서 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 원통형 햅틱 대상이 도시될지라도, 도 9-10의 특징부가 다양한 기하학적 구조의 가상 제어 대상과 함께 사용하도록 조절될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.Referring now to FIGS. 9-10 , illustrated is a process for providing a haptic interaction comprising an attenuation zone in accordance with an exemplary embodiment. 9 shows a process 900 for providing a haptic interaction that includes an attenuation zone, while FIG. 10 shows an example haptic object that includes an attenuation zone. Process 900 may be executed, for example, by surgical system 200 at step 310 of process 300 . For example, although a cylindrical haptic object is shown in FIG. 10 , it should be understood that the features of FIGS. 9-10 may be adapted for use with virtual control objects of various geometries.

단계(902)에서, 감쇠 구역을 갖는 햅틱 대상이 설정된다(예를 들어, 처리 회로(260)에 의해 가상 공간에서 정의됨). 감쇠 구역은 햅틱 대상의 하위 부분 및/또는 햅틱 대상 내의 영역으로 정의될 수 있다. 감쇠 구역(1002)을 갖는 예시적인 햅틱 대상(1000)가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 햅틱 대상(1000)는 원통형 햅틱 대상이고 감쇠 구역(1002)은 햅틱 대상(1000)에 위치된 원통형 디스크이다. 도 10의 예에서, 햅틱 대상(1000) 및 감쇠 구역(1002)은 동일한 직경을 갖는 반면 감쇠 구역(1002)의 높이는 햅틱 대상(1000)의 높이보다 상당히 낮고 공유 축(1004)에 중심을 두고 있다. 다른 실시예에서, 다양한 상대 크기 및 치수가 가능하다. At step 902 , a haptic object having an attenuation zone is established (eg, defined in virtual space by processing circuitry 260 ). An attenuation zone may be defined as a sub-portion of a haptic object and/or an area within the haptic object. An exemplary haptic object 1000 having an attenuation zone 1002 is shown in FIG. 10 . As shown in FIG. 10 , haptic object 1000 is a cylindrical haptic object and attenuation zone 1002 is a cylindrical disk positioned on haptic object 1000 . In the example of FIG. 10 , haptic object 1000 and attenuation zone 1002 have the same diameter while the height of attenuation zone 1002 is significantly lower than the height of haptic object 1000 and is centered on shared axis 1004 . . In other embodiments, various relative sizes and dimensions are possible.

일부 예에서, 감쇠 구역(1002)은 해부학적 특징부(예를 들어, 뼈)의 표면에 근접한 햅틱 대상(1000)를 따라 위치된다. 예를 들어, 감쇠 구역(1002)은 뼈 표면의 외부 측면에 있을 수 있다. 이러한 경우에, 추적된 수술 도구(234)가 햅틱 대상(1000)에 의해 제한되는 동안 뼈에 접근함에 따라, 수술 도구(234)는 먼저 감쇠 구역(1002)에 도달한다. In some examples, attenuation zone 1002 is positioned along haptic object 1000 proximate to a surface of an anatomical feature (eg, bone). For example, the damping zone 1002 may be on the outer side of the bone surface. In this case, as tracked surgical tool 234 approaches the bone while constrained by haptic object 1000 , surgical tool 234 first reaches attenuation zone 1002 .

단계(904)에서, (예를 들어, 추적 시스템(222)으로부터의 데이터를 사용하여 처리 회로(260)에 의해) 수술 도구(234)가 감쇠 구역(1002)의 제1 측면에 진입하였다는 결정이 이루어진다. 도 10의 예에서, 수술 도구(234)의 TCP의 위치는 감쇠 구역(1002)에 대해 추적될 수 있고, 수술 도구(234)는 TCP가 감쇠 구역(1002)의 제1 표면(1006)과 교차할 때 감쇠 구역(1002)의 제1 측면에 진입한 것으로 결정될 수 있다.At step 904 , a determination is made that the surgical tool 234 has entered the first side of the attenuation zone 1002 (eg, by the processing circuit 260 using data from the tracking system 222 ). this is done In the example of FIG. 10 , the position of the TCP of the surgical tool 234 can be tracked with respect to the attenuation zone 1002 , wherein the surgical tool 234 intersects the TCP with a first surface 1006 of the attenuation zone 1002 . may be determined to have entered the first side of the damping zone 1002 when

단계(906)에서, 로봇 디바이스(220)는 감쇠 구역을 통한 수술 도구의 이동에 부분적으로 저항하는 햅틱 피드백을 제공하도록 제어된다. 예를 들어, 감쇠 구역에 기초한 로봇 디바이스(220)의 제어는 수술 도구(234)가 감쇠 구역을 통과할 때 수술 도구(234)의 이동이 느려지게(예를 들어, 미리 설정된 속도를 초과하지 않도록) 야기할 수 있다. 감쇠 구역이 뼈의 표면에 위치하는 경우에, 감쇠 구역은 따라서 수술 도구(234)과 뼈 사이의 초기 충격에서 수술 도구(234)의 병진 이동 속도를 관리(예를 들어, 감소)하도록 작용할 수 있다. 수술 도구(234)의 병진 이동 속도를 감소시킴으로써, 프로세스(900)에 의해 제공되는 감쇠 구역은 스카이빙을 감소시키고, 절단 또는 보어/드릴 홀의 품질을 증가시키고, 절단 또는 홀 배치의 정확도를 증가시킬 수 있다. At step 906 , the robotic device 220 is controlled to provide haptic feedback that partially resists movement of the surgical tool through the damping zone. For example, control of the robotic device 220 based on the damping zone may cause movement of the surgical tool 234 to be slow (eg, not exceeding a preset speed) as the surgical tool 234 passes through the damping zone. ) can cause In the case where the damping zone is located on the surface of the bone, the damping zone may thus act to manage (eg, reduce) the rate of translational movement of the surgical tool 234 at the initial impact between the surgical tool 234 and the bone. . By reducing the speed of translational movement of the surgical tool 234, the damping zone provided by the process 900 will reduce skiving, increase the quality of the cut or bore/drill hole, and increase the accuracy of the cut or hole placement. can

비록 도 9 내지 도 10은 로봇 디바이스(220)의 이동이 전술한 바와 같이 감쇠되는 감쇠 구역을 도시할지라도, 다른 실시예에서는 다른 효과와 관련된 다른 유형의 영역이 제공되며, 이 경우 단계(906)가 그에 따라 적응된다. 예를 들어, 일부 실시예에서 감쇠 구역은 로봇 디바이스(220)가 단계(906)에서 수술 도구가 가속 구역을 통과할 때 수술 도구(234)의 속도가 증가하게 하는 가속 구역으로 대체된다. 다른 예로서, 일부에서 실시예에서, 감쇠 구역은 인력 구역으로 대체되며, 이 구역에서 로봇 디바이스(220)는 인력 구역 내의 위치(예를 들어, 인력 구역의 중간점)를 향해 배향된 수술 도구(234)에 힘을 제공하도록 제어되거나, 또는 로봇 디바이스(220)가 반발 구역의 위치로부터 이격되게 배향된 수술 도구(234)에 힘을 제공하도록 제어되는 반발 구역으로 대체된다.Although Figures 9-10 show a damping zone in which the movement of the robotic device 220 is damped as described above, other embodiments provide other types of regions associated with different effects, in this case step 906 . is adapted accordingly. For example, in some embodiments the damping zone is replaced with an acceleration zone in which the robotic device 220 causes the speed of the surgical tool 234 to increase as it passes the acceleration zone in step 906 . As another example, in some embodiments, the attenuation zone is replaced with a manpower zone, in which the robotic device 220 is a surgical tool (eg, a midpoint of the manpower zone) oriented towards a location within the force zone. Controlled to provide a force to 234 , or replaced with a reaction zone in which the robotic device 220 is controlled to provide a force to a surgical tool 234 oriented away from the location of the reaction zone.

단계(908)에서, (예를 들어, 추적 시스템(222)으로부터의 데이터를 사용하여 처리 회로(260)에 의해) 수술 도구가 감쇠 구역의 제2 측면에서 배출된 것의 결정이 이루어진다. 도 10의 예에서, 수술 도구(234)의 TCP의 위치는 감쇠 구역(1002)에 대해 추적될 수 있고, 수술 도구(234)는 TCP가 감쇠 구역(1002)의 제2 측면(1008)을 통과할 때 감쇠 구역(1002)의 제2 측면에서 배출된 것으로 결정될 수 있다.At step 908 , a determination is made (eg, by processing circuitry 260 using data from tracking system 222 ) that the surgical instrument has been ejected from the second side of the attenuation zone. In the example of FIG. 10 , the position of the TCP of the surgical tool 234 can be tracked with respect to the attenuation zone 1002 , and the surgical tool 234 is such that the TCP passes through the second side 1008 of the attenuation zone 1002 . may be determined to have been discharged from the second side of the attenuation zone 1002 .

단계(910)에서, 수술 도구가 감쇠 구역의 제2 측면에서 배출된 것의 결정에 응답하여, 감쇠 구역은 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 햅틱 대상으로부터 제거된다. 단계(906)에서 적용된 저항성 피드백은 더 이상 적용되지 않는다. 일부 실시예에서, 수술 도구는 단계(906)의 저항을 겪지 않고 감쇠 구역에 의해 이전에 점유된 영역을 반복적으로 통과할 수 있다. 따라서, 수술 시스템(200)은 수술 도구(234)와 뼈 사이의 초기 접촉을 용이하게 하기 위해 감쇠 저항을 제공하고, 초기 접촉 이후에 이러한 저항을 자동으로 제거하도록 구성될 수 있다.At step 910 , in response to determining that the surgical instrument has been ejected from the second side of the attenuation zone, the attenuation zone is removed from the haptic object (eg, by processing circuitry 260 ). The resistive feedback applied in step 906 is no longer applied. In some embodiments, the surgical tool may repeatedly pass through the area previously occupied by the damping zone without experiencing the resistance of step 906 . Accordingly, the surgical system 200 may be configured to provide damping resistance to facilitate initial contact between the surgical tool 234 and the bone, and to automatically remove such resistance after the initial contact.

이제 도 11 내지 도 13을 참조하면, 수술 도구 또는 로봇 팔에 장착된 버튼(키, 트리거, 스위치, 압력 센서, 손 위치 센서 등)을 통해 사용자로부터 수신된 입력에 응답하여 햅틱 상호작용을 조절하기 위한 프로세스를 도시하는 흐름도는 예시적인 실시예에 따라 도시되어 있다. 도 2를 참조하면 도 11-13의 프로세스는 로봇 팔(232) 또는 수술 도구(234)의 그립 또는 핸들 영역에 위치된 버튼을 고려하여, 수술 절차의 실행 동안에 사용자가 로봇 팔(232) 및 수술 도구(234)를 조작하는 동안 버튼이 사용자(예를 들어, 외과의사)에게 용이하게 이용가능하도록 한다. 버튼은 사용자가 로봇 팔(232) 및/또는 수술 도구(234)에 대한 사용자의 그립을 변경하도록 요구하지 않고 사용자가 수술 영역에서 사용자의 시각 또는 주의를 돌리도록 요구하지 않고 사용자에 의해 선택될 수 있다. 도 11 내지 도 13의 프로세스는 예를 들어 도 3의 단계(310)의 일부로서 수술 시스템(200)에 의해 실행될 수 있다. Referring now to FIGS. 11-13 , adjusting a haptic interaction in response to input received from a user via a button (key, trigger, switch, pressure sensor, hand position sensor, etc.) mounted on a surgical tool or robotic arm. A flowchart illustrating a process for Referring to FIG. 2 , the process of FIGS. 11-13 takes into account the buttons located in the grip or handle area of the robotic arm 232 or surgical tool 234 , allowing the user to engage the robotic arm 232 and the surgical procedure during execution of the surgical procedure. Make buttons readily available to a user (eg, a surgeon) while manipulating the tool 234 . The button may be selected by the user without requiring the user to change the user's grip on the robotic arm 232 and/or the surgical tool 234 and without requiring the user to divert the user's sight or attention from the surgical area. have. The process of FIGS. 11-13 may be executed by the surgical system 200 , for example, as part of step 310 of FIG. 3 .

도 11은 버튼이 사용자가 제1 햅틱 대상과 제2 햅틱 대상 사이를 전환하도록 하는 프로세스(1100)의 흐름도를 도시한다. 단계(1102)에서, 수술 도구(234)는 제1 햅틱 대상으로 제한된다. 제1 햅틱 대상은 본 명세서에 설명된 임의의 치수, 형상 등 중을 가질 수 있다. 단계(1104)에서, 수술 도구 또는 로봇 팔에 장착된 버튼의 누름을 나타내는 전기 신호가 (예를 들어, 처리 회로(260)에서) 수신된다. 단계(1106)에서, 수술 도구(234)의 햅틱 제어는 제1 햅틱 대상에서 제2 햅틱 대상으로 전환되어, 단계(1108)에서 수술 도구(234)가 제2 햅틱 대상으로 제한된다. 일부 경우에는 버튼을 다시 눌러 제1 햅틱 대상을 기반으로 하는 제어되도록 복귀될 수 있다. 11 shows a flow diagram of a process 1100 in which a button causes a user to toggle between a first haptic object and a second haptic object. At step 1102 , surgical tool 234 is restricted to a first haptic object. The first haptic object can have any of the dimensions, shapes, etc. described herein. At step 1104 , an electrical signal is received (eg, at processing circuitry 260 ) indicative of a press of a button mounted on a surgical tool or robotic arm. At step 1106 , haptic control of the surgical tool 234 is switched from a first haptic object to a second haptic object, so that at step 1108 , the surgical tool 234 is limited to the second haptic object. In some cases, the button may be pressed again to return to control based on the first haptic object.

프로세스(1100)는 제1 햅틱 대상 및 제2 햅틱 대상의 상대적인 크기, 형상 등에 기초하여 다양한 이점을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 햅틱 대상은 (즉, 제2 햅틱 대상이 제1 햅틱 대상보다 더 큰 이동 범위를 허용하도록) 제2 햅틱 대상의 하위 부분이다. 이러한 경우에, 사용자는 수술 도구(234)가 제1 햅틱 대상에 기초하여 제어 하에 도달하는 것이 제한되었던 영역에 수술 도구(234)가 도달하도록 허용하는 버튼을 선택할 수 있다. 일 예는 평면 햅틱 대상의 세트이며, 여기서 제1 햅틱 대상은 평면 절단의 가상으로 결정된 범위에 대응하는 반면, 제2 햅틱 대상은 더 큰 동일 평면 대상이다. 외과의사의 경험과 수술 중 관찰을 기초하여 외과의사는 필요한 경우 버튼을 눌러 수술 중 절단을 확장할 수 있다. 다른 예로, 제1 햅틱 대상과 제2 햅틱 대상은 부분적으로만 중첩될 수 있다. 이러한 예에서, 프로세스(1100)는 수술 절차의 상이한 단계들 사이의 전환을 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 회로(260)는 수술 도구가 현재 양쪽 햅틱 대상 내에 위치하지 않는 한 햅틱 제어 대상 사이의 전환을 방지한다. Process 1100 may provide various advantages based on the relative sizes, shapes, etc. of the first and second haptic objects. In some embodiments, the first haptic object is a sub-portion of the second haptic object (ie, such that the second haptic object allows a greater range of motion than the first haptic object). In this case, the user may select a button that allows the surgical tool 234 to reach an area where the surgical tool 234 has been restricted from reaching under control based on the first haptic object. One example is a set of planar haptic objects, wherein a first haptic object corresponds to a virtually determined range of planar cuts, while a second haptic object is a larger coplanar object. Based on the surgeon's experience and intraoperative observations, the surgeon can, if necessary, extend the intraoperative amputation at the push of a button. As another example, the first haptic object and the second haptic object may only partially overlap. In this example, process 1100 may facilitate transitioning between different steps of a surgical procedure. In some embodiments, processing circuitry 260 prevents switching between haptic control objects unless a surgical tool is currently located within both haptic objects.

도 12는 버튼이 사용자에 의해 가해진 힘의 방향으로 햅틱 대상이 확장되게 하는 프로세스(1200)를 도시한다. 단계(1202)에서, 수술 도구는 제1 햅틱 대상으로 제한된다. 제1 햅틱 대상은 본 명세서에 설명된 임의의 치수, 형상 등을 가질 수 있다. 단계(1204)에서, 수술 도구 또는 로봇 팔에 장착된 버튼의 누름을 나타내는 전기 신호가 (예를 들어, 처리 회로(260)에서) 수신된다. 12 depicts a process 1200 in which the button causes the haptic object to expand in the direction of a force applied by the user. In step 1202, the surgical tool is restricted to the first haptic object. The first haptic object can have any of the dimensions, shapes, etc. described herein. At step 1204 , an electrical signal is received (eg, at processing circuitry 260 ) indicative of a press of a button mounted on a surgical tool or robotic arm.

단계(1206)에서, 버튼으로부터의 신호에 응답하여, 수술 도구에 가해지는 힘의 방향이 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 결정된다. 수술 도구의 HIP는 햅틱 제어 상호작용이 힘이 수술을 힘의 방향으로 더 이동하게 하는 것을 방지하도록 제1 햅틱 대상의 경계에 위치될 수 있다. 이러한 시나리오에서, 버튼의 누름은 사용자가 힘의 방향으로 수술 도구를 더 이동시키기를 원한다는 것을 나타낸다. 따라서, 단계(1208)에서, 제1 햅틱 대상은 힘의 방향으로 연장되고, 이에 의해 수술 도구가 제1 햅틱 대상에 의해 제한되기 전에 상기 방향으로 더 이동될 수 있다. 제1 햅틱 대상은 단계(1208)에서 미리 설정된 거리 또는 체적만큼 연장될 수 있다. 그 다음, 수술 도구는 연장된 제1 햅틱 대상에 의해 제한된다. At step 1206 , in response to a signal from the button, a direction of a force applied to the surgical tool is determined (eg, by processing circuitry 260 ). The HIP of the surgical tool may be positioned at the boundary of the first haptic object such that the haptic control interaction prevents the force from causing the surgery to move further in the direction of the force. In this scenario, pressing the button indicates that the user wants to further move the surgical tool in the direction of the force. Thus, at step 1208 , the first haptic object extends in the direction of the force, whereby the surgical tool can be moved further in that direction before being constrained by the first haptic object. The first haptic object may be extended by a preset distance or volume in step 1208 . The surgical tool is then constrained by the elongated first haptic object.

프로세스(1200)는 이에 의해 사용자가 특정한 사용자 선택 방향으로 제1 햅틱 대상을 넘어 수술 도구를 확장하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 제1 햅틱 대상에 기초한 제어는 외과의사가 수술 도구로 변경하기를 원하는 해부학적 특징부의 전체 범위에 수술 도구가 도달하는 것을 제한할 수 있다. 그 다음, 외과의사는 수술 도구를 타겟 특징부 쪽으로 강제할 수 있고 버튼을 선택하여 햅틱 대상이 타겟 특징부를 향해 확장되게 할 수 있다. 그에 따라 프로세스(1200)는 햅틱 대상에 대한 유리한 수술 중 조절을 용이하게 한다. Process 1200 may thereby facilitate a user to extend the surgical tool beyond the first haptic object in a particular user-selected direction. For example, in some cases, control based on a first haptic object may restrict the surgical tool from reaching the full extent of anatomical features that the surgeon wishes to modify into the surgical tool. The surgeon may then force the surgical tool towards the target feature and select a button to cause the haptic object to expand towards the target feature. Process 1200 accordingly facilitates advantageous intraoperative adjustments to the haptic object.

도 13은 버튼이 사용자가 가상 도구의 가상 치수를 조절하도록 함으로써 가상 제어 상호작용을 조절하는 프로세스(1300)를 도시한다. 프로세스(1300)에 의해 고려되는 실시예에서, 햅틱 제어 상호작용은 수술 도구와 연관된 햅틱 상호작용 지점(예를 들어, TCP)를 추적함으로써 달성된다. HIP는 1차원 지점이다. 처리 회로는 HIP의 위치에 기초하여 수술 도구가 차지하는 체적을 결정하기 위해 수술 도구의 하나 이상의 가상 치수를 사용한다. 예를 들어, 구형 버의 경우 HIP가 구형 버의 중심에 위치할 수 있고 버의 반경을 사용하여 가상 공간에서 HIP 위치 및 반경 치수를 기반으로 구형 버가 차지하는 3차원 체적을 결정할 수 있다. 햅틱 제어는 수술 도구(또는 그 경계)가 차지하는 체적과 햅틱 대상 사이의 상호작용에 기초하여 제공된다. 구형 버의 예에서, HIP는 적어도 구형 버의 반경 치수만큼 햅틱 경계로부터 오프셋된 위치로 제한될 수 있다. 이러한 경우 구형 버의 가상 반경을 변경하면 HIP가 햅틱 경계에 더 근접하게 이동할 수 있다. 따라서 로봇 디바이스의 제어는 수술 도구의 가상 치수를 변경하여 변경될 수 있다. 13 depicts a process 1300 of adjusting a virtual control interaction by a button allowing a user to adjust a virtual dimension of a virtual tool. In embodiments contemplated by process 1300 , the haptic control interaction is achieved by tracking a haptic interaction point (eg, TCP) associated with the surgical tool. HIP is a one-dimensional point. The processing circuitry uses one or more virtual dimensions of the surgical tool to determine a volume occupied by the surgical tool based on the location of the HIP. For example, for a spherical burr, the HIP can be located at the center of the spherical burr, and the radius of the burr can be used to determine the three-dimensional volume occupied by the spherical burr based on the HIP position and radius dimensions in virtual space. Haptic control is provided based on the interaction between the haptic object and the volume occupied by the surgical tool (or its boundary). In the example of a spherical burr, the HIP may be limited to a location offset from the haptic boundary by at least the radial dimension of the spherical burr. In this case, changing the virtual radius of the spherical burr can move the HIP closer to the haptic boundary. The control of the robotic device can thus be changed by changing the virtual dimensions of the surgical tool.

단계(1302)에서, 수술 도구는 제1 햅틱 대상으로 제한된다. 제1 햅틱 대상은 본 명세서에 설명된 임의의 치수, 형상 등을 가질 수 있다. 단계(1304)에서, 수술 도구 또는 로봇 팔에 장착된 버튼의 누름을 나타내는 전기 신호가 (예를 들어, 처리 회로(260)에서) 수신된다. 단계(1306)에서, 버튼으로부터의 신호에 응답하여 수술 도구의 가상 치수가 (예를 들어, 처리 회로(260)에 의해) 조절된다. 예를 들어, 수술 도구가 구형 버인 시나리오에서 구형 버의 가상 반경이 감소될 수 있다. In step 1302, the surgical tool is restricted to the first haptic object. The first haptic object can have any of the dimensions, shapes, etc. described herein. At step 1304 , an electrical signal is received (eg, at processing circuitry 260 ) indicative of a press of a button mounted on a surgical tool or robotic arm. At step 1306 , a virtual dimension of the surgical tool is adjusted (eg, by processing circuitry 260 ) in response to a signal from the button. For example, in a scenario where the surgical tool is a spherical burr, the virtual radius of the spherical bur may be reduced.

단계(1308)에서, 로봇 디바이스는 수술 도구의 조절된 가상 치수에 기초하여 수술 도구를 제1 햅틱 대상으로 제한하도록 제어된다. 수술 도구의 가상 치수가 감소되는 예에서(예를 들어, 반경이 감소되는 경우), 수술 도구는 단계(1302)와 비교하여 단계(1308)에서 더 큰 이동 범위가 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 외과의사가 수술 도구가 단계(1302)에서 도달하도록 제한되는 위치에 수술 도구가 도달하도록 허용되기를 원할 때 버튼을 맞물릴 수 있다. 수술 도구의 가상 중심 지점의 위치는 또한 예를 들어, 축소된 크기의 가상 도구가 원래 크기의 가상 도구의 경계와 정렬되도록 수술 도구의 추적된 위치에 대해 이동될 수 있다. 이러한 이동은 공유 경계를 따라 이동 범위를 유지하면서 일부 방향에서 보다 큰 이동 범위를 수술 도구에 제공할 수 있다. 예를 들어, 수술 도구의 가상 치수를 감소시킬 때 가상 중심 지점을 수술 도구의 원위 팁을 향하여 이동시키는 것은 증가된 좌우 이동 범위(즉, 수술 도구의 축에 직교함)를 허용할 수 있는 반면 수술 도구를 원래 절단 깊이로 제한한다. 프로세스(1300)는 그에 의해 수술 계획에 따라 수술 도구에 의해 변경될 수 있는 해부학적 특징부의 정도까지 수술 중 사소한 조절을 용이하게 할 수 있다.At step 1308 , the robotic device is controlled to constrain the surgical tool to the first haptic object based on the adjusted virtual dimensions of the surgical tool. In an example where the virtual dimension of the surgical tool is reduced (eg, when the radius is reduced), the surgical tool may be provided with a greater range of motion in step 1308 as compared to step 1302 . In this case, the surgeon may engage the button when it wishes to allow the surgical tool to reach the position where it is restricted to reach at step 1302 . The position of the virtual central point of the surgical tool may also be moved relative to the tracked position of the surgical tool, for example such that the reduced sized virtual tool is aligned with the boundary of the original sized virtual tool. Such movement may provide the surgical tool with greater range of motion in some directions while maintaining range of motion along a shared boundary. For example, when reducing the virtual dimension of a surgical tool, moving the virtual center point toward the distal tip of the surgical tool may allow for an increased range of side-to-side movement (ie, orthogonal to the axis of the surgical tool), whereas surgery Limit the tool to its original cutting depth. Process 1300 may thereby facilitate minor intraoperative adjustments to the extent of anatomical features that may be altered by a surgical tool in accordance with a surgical plan.

일부 실시예에서, 버튼은 수술 도구의 하나 이상의 가상 치수에 대한 반복적인 조절을 야기하도록 반복적으로 선택될 수 있다(예를 들어, 점점 더 작은 크기로 스테핑, 2개의 가용 크기 사이의 전환, 3개 이상의 가용 크기를 통해 순차적으로 이동, 등.). 많은 이러한 가능성이 본 개시의 범위 내에 있다. In some embodiments, the button may be selected repeatedly to cause iterative adjustments to one or more virtual dimensions of the surgical tool (eg, stepping to smaller and smaller sizes, switching between two available sizes, three Move sequentially through more available sizes, etc.). Many such possibilities are within the scope of the present disclosure.

다른 실시예에서, 입력은 또 다른 소스(예를 들어, 발 페달, 음성 활성화, 마우스, 키보드, 터치 스크린 등)로부터 수신된다. 다른 실시예에서, 사용자 입력(버튼에서 발생하는 것으로 도 11 내지 도 13에서 설명됨)은 수술 도구 및/또는 로봇 디바이스의 추적된 위치 또는 거동에 기초한 자동 응답으로 대체된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 햅틱 대상의 경계에서 수술 도구의 체류 시간이 검출된다. 체류 시간이 임계 시간을 초과할 때, 햅틱 제어는 단계(1106-1108, 1206-1210, 및/또는 1306-1308)에 설명된 바와 같이 변경될 수 있다. 이러한 다양한 변경은 본 개시의 범위 내에 있다. In other embodiments, the input is received from another source (eg, foot pedal, voice activation, mouse, keyboard, touch screen, etc.). In another embodiment, user input (as described in FIGS. 11-13 as occurring at a button) is replaced with an automatic response based on the tracked position or behavior of the surgical tool and/or robotic device. For example, in some embodiments, a residence time of the surgical tool at the boundary of the haptic object is detected. When the dwell time exceeds the threshold time, the haptic control may be changed as described in steps 1106-1108, 1206-1210, and/or 1306-1308. Various such modifications are within the scope of the present disclosure.

위에서 언급한 바와 같이, 도 4 내지 도 13에 예시된 다양한 특징부의 모든 조합은 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 프로세스(300)는 프로세스(400), 프로세스(600), 프로세스(800), 프로세스(900), 프로세스(1100), 프로세스(1200), 및 프로세스(1300) 중 하나 이상의 단계를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 본원에 기재된 다양한 특징부, 방법, 단계 등은 전체 및 부분 고관절, 무릎 및 어깨 인공관절 수술을 포함하는 다양한 수술 절차를 촉진하는 데 사용하고 비수술적 작업을 실행하는 데 사용할 수 있다. As noted above, all combinations of the various features illustrated in FIGS. 4-13 are within the scope of the present disclosure. For example, process 300 may use steps of one or more of process 400 , process 600 , process 800 , process 900 , process 1100 , process 1200 , and process 1300 . can be implemented. In addition, the various features, methods, steps, and the like described herein can be used to facilitate a variety of surgical procedures, including total and partial hip, knee and shoulder arthroplasty, and to perform non-surgical operations.

다양한 예시적인 실시예에서 도시되는 바와 같은 시스템 및 방법의 구성과 배열은 예시적인 것일 뿐이다. 비록 본 명세서에서는 몇 가지의 실시예들만이 상세히 설명되었지만, 많은 변형예들(예를 들어, 크기, 치수, 구조, 형상 및 다양한 요소들의 비율, 파라미터의 값, 마운팅 장치, 재료의 용도, 색상, 배향 등의 변형)이 가능하다. 예를 들어, 요소들의 위치는 반전되거나 그렇지 않으면 변경될 수 있고, 이산 요소 또는 위치의 성질 또는 개수는 변하거나 변경될 수 있다. 따라서, 이러한 변형예들은 본 발명의 범위 내에 속하게 되도록 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 다른 실시예에 따라서 변경되거나 다시 순서결정될 수 있다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예의 디자인, 동작 조건 및 배열에 있어서 다른 치환, 변경, 변화, 및 생략이 이루어질 수 있다.The construction and arrangement of systems and methods as shown in the various illustrative embodiments are illustrative only. Although only a few embodiments are described in detail herein, many variations (e.g., size, dimensions, structure, shape and ratio of various elements, values of parameters, mounting devices, uses of materials, colors, orientation, etc.) is possible. For example, the position of elements may be inverted or otherwise changed, and the nature or number of discrete elements or positions may change or change. Accordingly, such modifications are intended to fall within the scope of the present invention. The order or sequence of steps in any process or method may be changed or reordered according to other embodiments. Other substitutions, changes, changes, and omissions may be made in the design, operating conditions, and arrangement of the exemplary embodiments without departing from the scope of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어는 본 개시의 요지가 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적이고 허용되는 사용과 조화를 이루는 넓은 의미를 갖는 것으로 의도된다. 본 개시를 검토하는 당업자는 이러한 용어가 제공된 정확한 수치 범위로 이러한 특징의 범위를 제한하지 않으면서 기술되고 청구된 특정 특징의 설명을 허용하도록 의도된다는 것을 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 용어는 설명된 요지의 미미하거나 중요하지 않은 변형 또는 변경을 나타내는 것으로 해석되어야 하며 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 고려되어야 한다. As used herein, the terms "approximately," "about," "substantially," and similar terms It is intended to have a broad meaning. It should be understood by those skilled in the art upon reviewing this disclosure that these terms are intended to permit the description of the specific features described and claimed without limiting the scope of those features to the precise numerical ranges provided. Accordingly, such terms should be interpreted as indicating minor or insignificant modifications or variations of the described subject matter and are considered to be within the scope of the present disclosure.

Claims (41)

가상 대상을 정의하는 단계;
수술 도구의 가상 표현과 연관된 제1 지점 및 제2 지점을 정의하는 단계 - 수술 도구의 가상 표현의 이동은 실제 공간에서의 수술 도구의 이동에 대응함 - ;
제1 지점을 가상 대상에 제한하기 위해 수술 도구에 결합된 로봇 디바이스를 제어하는 단계;
제1 지점이 가상 대상을 따른 임계 위치에 있다고 결정하는 단계; 및
제2 지점을 가상 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
defining a virtual object;
defining first and second points associated with the virtual representation of the surgical tool, wherein movement of the virtual representation of the surgical tool corresponds to movement of the surgical tool in real space;
controlling a robotic device coupled to the surgical tool to confine the first point to the virtual object;
determining that the first point is at a threshold location along the virtual object; and
and controlling the robotic device to guide the second point to the virtual object.
제1항에 있어서, 제1 지점을 가상 대상에 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계는 가상 대상으로부터 이격되게 제1 지점의 이동을 방지하고 제1 지점에 대한 수술 도구의 회전을 허용하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법. The method of claim 1 , wherein controlling the robotic device to constrain the first point to the virtual object comprises: preventing movement of the first point away from the virtual object and allowing rotation of the surgical tool relative to the first point. A method comprising controlling. 제1항에 있어서,
제2 지점이 가상 대상에 위치된 것을 결정하는 단계; 및
제1 지점 및 제2 지점을 가상 대상에 구속하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
According to claim 1,
determining that the second point is located on the virtual object; and
The method further comprising constraining the first point and the second point to the virtual object.
제3항에 있어서,
가상 대상에 대해 직교하게 미리 결정된 방향으로 도구에 가해진 힘을 검출하는 단계;
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계; 및
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과한다는 결정에 응답하여, 제1 지점 및 제2 지점이 가상 대상로부터 벗어나도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
4. The method of claim 3,
detecting a force applied to the tool in a predetermined direction orthogonal to the virtual object;
determining whether a force in a predetermined direction exceeds a threshold force; and
In response to determining that the force in the predetermined direction exceeds the threshold force, the method further comprising: controlling the robotic device so that the first point and the second point deviate from the virtual object.
제1항에 있어서,
가상 대상을 따라 감쇠 구역을 정의하는 단계;
제1 지점이 감쇠 구역에 있는 것을 결정하는 단계;
감쇠 구역을 통한 제1 지점의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
The method of claim 1,
defining an attenuation zone along the virtual object;
determining that the first point is in an attenuation zone;
The method further comprising controlling the robotic device to resist movement of the first point through the damping zone.
제5항에 있어서,
제1 지점이 감쇠 구역을 통과했다고 결정하는 단계; 및
제1 지점이 감쇠 구역을 통과했다는 결정에 응답하여, 가상 대상로부터 감쇠 구역을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
6. The method of claim 5,
determining that the first point has passed the damping zone; and
in response to determining that the first point has passed the attenuation zone, removing the attenuation zone from the virtual object.
제1항에 있어서,
제2 지점을 가상 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계는 수술 도구에 보조 힘을 제공하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하고, 보조 힘은 가상 대상에 제2 지점의 이동을 돕도록 배향되는 방법.
The method of claim 1,
Controlling the robotic device to guide the second point to the virtual object includes controlling the robotic device to provide an assisting force to the surgical tool, wherein the assisting force is oriented to assist movement of the second point on the virtual object. Way.
제1항에 있어서,
제1 지점이 가상 대상을 향해 이동하고 있는 것을 결정하는 단계; 및
제1 지점이 가상 대상을 향해 이동하고 있는 것의 결정에 응답하여, 보조 힘을 수술 도구에 제공하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하고, 보조 힘은 가상 라인으로 제1 지점의 이동을 돕도록 배향되는 방법.
According to claim 1,
determining that the first point is moving towards the virtual object; and
in response to determining that the first point is moving towards the virtual object, controlling the robotic device to provide an assisting force to the surgical tool, wherein the assisting force is oriented to assist movement of the first point in the virtual line. how to be
제1항에 있어서,
신호를 수신하는 단계; 및
신호에 응답하여 제1 지점과 가상 대상 사이의 제어 상호작용을 변경하는 단계를 포함하는 방법.
According to claim 1,
receiving a signal; and
and changing a control interaction between the first point and the virtual object in response to the signal.
제1항에 있어서, 가상 대상을 정의하는 단계는:
타겟 뼈에 계획된 홀을 포함하는 수술 계획을 획득하는 단계; 및
계획된 홀과 가상 대상을 정렬하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1 , wherein defining the virtual object comprises:
obtaining a surgical plan including a hole planned in the target bone; and
A method comprising aligning the planned hole with the virtual object.
제1항에 있어서, 가상 대상을 따른 임계값 위치는 해부학적 특징부로부터 임계값 거리에 대응하는 방법.The method of claim 1 , wherein the threshold position along the virtual object corresponds to the threshold distance from the anatomical feature. 제1항에 있어서, 가상 대상을 따라 임계 위치는 해부학적 특징부로의 침투의 크기에 해당하는 방법.The method of claim 1 , wherein the critical location along the virtual object corresponds to the magnitude of penetration into the anatomical feature. 제1항에 있어서, 가상 대상은 가상 라인인 방법.The method of claim 1 , wherein the virtual object is a virtual line. 도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은
제1 햅틱 대상에 기초하여 수술 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계;
신호 및 사용자 정의 방향을 수신하는 단계; 및
제1 햅틱 대상을 사용자 정의 방향으로 확장함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
A method of operating a robotic device to which a tool is coupled, the method comprising:
controlling the robotic device to constrain the surgical tool based on the first haptic object;
receiving a signal and a user-defined direction; and
and adjusting the haptic control interaction in response to the signal by expanding the first haptic object in a user-defined direction.
제14항에 있어서, 사용자 정의 방향을 수신하는 단계는 도구에 사용자에 의해 가해지는 힘의 방향을 결정하는 단계를 포함하는 방법.15. The method of claim 14, wherein receiving a user-defined direction comprises determining a direction of a force applied by a user to the tool. 제14항에 있어서, 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계는:
도구의 가상 치수를 조절하는 단계; 및
수술 도구의 조절된 가상 치수에 기초하여 제1 햅틱 대상으로 도구를 제한하는 단계를 포함하는 방법.
15. The method of claim 14, wherein adjusting the haptic control interaction in response to the signal comprises:
adjusting the virtual dimensions of the tool; and
and limiting the tool to the first haptic object based on the adjusted virtual dimension of the surgical tool.
제14항에 있어서,
제1 햅틱 대상은 라인 햅틱을 포함하고;
도구를 제1 햅틱 대상으로 제한하는 단계는 수술 도구와 연관된 제1 지점을 라인 햅틱으로 제한하는 단계를 포함하는 방법.
15. The method of claim 14,
the first haptic object includes a line haptic;
The method of confining the tool to the first haptic object includes limiting a first point associated with the surgical tool to a line haptic.
제14항에 있어서,
미리 결정된 방향으로 도구에 가해지는 힘을 검출하는 단계;
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계; 및
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지의 결정에 응답하여, 도구가 햅틱 제어 상호작용을 종료할 수 있도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
15. The method of claim 14,
detecting a force applied to the tool in a predetermined direction;
determining whether a force in a predetermined direction exceeds a threshold force; and
responsive to determining whether the force in the predetermined direction exceeds the threshold force, controlling the robotic device such that the tool terminates the haptic control interaction.
제14항에 있어서,
수술 도구의 이동 방향을 결정하는 단계;
이동 방향이 제1 햅틱 대상을 향하는지의 여부를 결정하는 단계;
이동 방향이 제1 햅틱 대상을 향한다는 결정에 응답하여, 도구를 제1 햅틱 대상으로 안내하는 단계를 포함하는 방법.
15. The method of claim 14,
determining a direction of movement of the surgical tool;
determining whether the direction of movement is toward the first haptic object;
responsive to determining that the direction of movement is toward the first haptic object, guiding the tool to the first haptic object.
제14항에 있어서,
제1 햅틱 대상에 대한 감쇠 구역을 정의하는 단계;
도구가 감쇠 구역에 있는지 결정하는 단계;
감쇠 구역을 통한 수술 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
15. The method of claim 14,
defining an attenuation zone for the first haptic object;
determining whether the tool is in a damping zone;
The method further comprising controlling the robotic device to resist movement of the surgical tool through the damping zone.
제20항에 있어서,
도구가 감쇠 구역을 통과했는지 결정하는 단계; 및
수술 도구가 감쇠 구역을 통과했는지의 결정에 응답하여 감쇠 구역을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
21. The method of claim 20,
determining whether the tool has passed the damping zone; and
and removing the damping zone in response to determining whether the surgical tool has passed through the damping zone.
도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법으로서,
제1 햅틱 대상에 기초하여 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계;
신호 및 사용자 정의 방향을 수신하는 단계; 및
도구의 가상 치수를 조절함으로써 신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
A method of operating a robotic device to which a tool is coupled, the method comprising:
controlling the robotic device to constrain the tool based on the first haptic object;
receiving a signal and a user-defined direction; and
and adjusting the haptic control interaction in response to the signal by adjusting the virtual dimension of the tool.
로봇 디바이스를 작동시키는 방법으로서,
로봇 디바이스에 결합된 도구의 이동을 추적하는 단계;
도구의 이동 방향을 결정하는 단계;
이동 방향이 가상 제어 대상을 향하는지의 여부를 결정하는 단계; 및
이동 방향이 가상 제어 대상을 향한다는 결정에 응답하여, 도구를 가상 제어 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
A method of operating a robotic device, comprising:
tracking movement of a tool coupled to the robotic device;
determining the direction of movement of the tool;
determining whether the moving direction is toward the virtual control object; and
responsive to determining that the direction of movement is toward the virtual control object, controlling the robotic device to guide the tool to the virtual control object.
제23항에 있어서, 도구를 가상 제어 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계는 로봇 디바이스가 이동 방향으로 도구에 힘을 가하게 하는 단계를 포함하는 방법.24. The method of claim 23, wherein controlling the robotic device to guide the tool to the virtual control object comprises causing the robotic device to apply a force to the tool in a direction of movement. 제24항에 있어서, 힘은 이동 방향으로 도구를 독립적으로 이동시키기에 충분하지 않은 방법.25. The method of claim 24, wherein the force is not sufficient to independently move the tool in the direction of movement. 제24항에 있어서, 힘은 이동 방향으로 도구를 독립적으로 이동시키기에 충분한 방법.25. The method of claim 24, wherein the force is sufficient to independently move the tool in the direction of movement. 제23항에 있어서, 도구의 이동 방향을 결정하는 단계는 도구의 이동을 특징으로 하는 속도 벡터를 식별하는 단계를 포함하는 방법.24. The method of claim 23, wherein determining the direction of movement of the tool comprises identifying a velocity vector characterizing the movement of the tool. 제23항에 있어서, 로봇 디바이스에 결합된 도구의 이동을 추적하는 단계는 가상 제어 대상에 대한 제1 지점 및 제2 지점의 위치를 추적하는 단계를 포함하고, 제1 지점 및 제2 지점은 도구와 연관되며; 및
상기 방법은:
제1 지점을 가상 제어 대상으로 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계;
제1 지점이 가상 제어 대상을 따른 임계 위치에 있는 것을 결정하는 단계; 및
제2 지점을 가상 제어 대상으로 안내하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
24. The method of claim 23, wherein tracking movement of the tool coupled to the robotic device comprises tracking the position of the first point and the second point relative to the virtual control object, the first point and the second point being the tool. is associated with; and
The method is:
controlling the robot device to limit the first point to the virtual control object;
determining that the first point is at a threshold position along the virtual control object; and
The method further comprising controlling the robotic device to guide the second point to the virtual control object.
제23항에 있어서, 도구가 가상 제어 대상에 있는지 결정하는 단계; 및
도구를 가상 제어 대상으로 제한하기 위해 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
24. The method of claim 23, further comprising: determining whether the tool is under virtual control; and
A method comprising controlling a robotic device to limit a tool to a virtual control object.
제29항에 있어서,
미리 결정된 방향으로 도구에 가해지는 힘을 검출하는 단계;
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계; 및
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지의 결정에 응답하여, 도구가 가상 제어 대상으로부터 이격되게 이동하도록 허용하기 위해 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
30. The method of claim 29,
detecting a force applied to the tool in a predetermined direction;
determining whether a force in a predetermined direction exceeds a threshold force; and
responsive to determining whether the force in the predetermined direction exceeds the threshold force, controlling the robotic device to allow the tool to move away from the virtual control object.
제29항에 있어서,
가상 제어 대상에 감쇠 구역을 정의하는 단계;
도구가 감쇠 구역에 있는지 결정하는 단계;
감쇠 구역을 통한 수술 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
30. The method of claim 29,
defining an attenuation zone in the virtual control object;
determining whether the tool is in a damping zone;
A method comprising controlling the robotic device to resist movement of the surgical tool through the damping zone.
제31항에 있어서,
도구가 감쇠 구역을 통과했는지 결정하는 단계; 및
제1 지점이 감쇠 구역을 통과했는지의 결정에 응답하여 감쇠 구역을 가상 제어 대상으로부터 제거하는 단계를 포함하는 방법.
32. The method of claim 31,
determining whether the tool has passed the damping zone; and
and removing the damping zone from the virtual control object in response to determining whether the first point has passed the damping zone.
제29항에 있어서,
신호를 수신하는 단계; 및
신호에 응답하여 햅틱 제어 상호작용을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
30. The method of claim 29,
receiving a signal; and
and adjusting the haptic control interaction in response to the signal.
로봇 디바이스에 연결된 도구를 추적하는 단계;
가상 제어 대상 내에서 도구를 제한하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계;
가상 제어 대상의 구역을 정의하는 단계;
도구가 구역에 있는지 결정하는 단계;
구역에서 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
tracking a tool connected to the robotic device;
controlling the robotic device to limit the tool within the virtual control object;
defining an area of the virtual control object;
determining whether the tool is in the zone;
A method comprising controlling the robotic device to resist movement of the tool in the zone.
제34항에 있어서,
도구가 구역을 통과했는지를 결정하는 단계, 및
도구가 구역을 통과했는지의 결정에 응답하여, 가상 제어 대상으로부터 구역을 제거하는 단계를 포함하는 방법.
35. The method of claim 34,
determining whether the tool has passed through the zone; and
responsive to determining whether the tool has passed through the zone, removing the zone from the virtual control object.
제34항에 있어서,
구역에서 도구의 이동을 저항하기 위하여 로봇 디바이스를 제어하는 단계는 도구의 속도가 최대 속도를 초과하는 것을 방지하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
35. The method of claim 34,
The method comprising controlling the robotic device to resist movement of the tool in the zone includes controlling the robotic device to prevent a speed of the tool from exceeding a maximum speed.
제34항에 있어서,
구역에서 도구의 이동에 저항하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계는 구역을 통한 도구의 이동 방향에 반대되는 힘을 도구에 제공하도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
35. The method of claim 34,
The method of controlling the robotic device to resist movement of the tool in the zone includes controlling the robotic device to provide a force to the tool that opposes a direction of movement of the tool through the zone.
제34항에 있어서,
미리 결정된 방향으로 도구에 가해지는 힘을 검출하는 단계;
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계; 및
미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과한다는 결정에 응답하여, 수술 도구가 가상 제어 대상을 배출할 수 있도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
35. The method of claim 34,
detecting a force applied to the tool in a predetermined direction;
determining whether a force in a predetermined direction exceeds a threshold force; and
responsive to determining that the force in the predetermined direction exceeds the threshold force, controlling the robotic device such that the surgical tool ejects the virtual control object.
제38항에 있어서,
미리 결정된 방향은 가상 제어 대상의 중심축에 직교하는 방법.
39. The method of claim 38,
The predetermined direction is orthogonal to the central axis of the virtual control object.
도구가 결합된 로봇 디바이스를 작동시키는 방법으로서,
로봇 디바이스에 의해 도구를 가상 제어 대상으로 제한하는 단계;
대략적으로 미리 결정된 방향으로 도구에 가해진 힘을 검출하는 단계;
대략적으로 미리 결정된 방향의 힘이 임계 힘을 초과하는지 여부를 결정하는 단계; 및
대략적으로 미리 결정된 방향으로의 힘이 임계 힘을 초과한다는 결정에 응답하여, 도구가 가상 제어 대상을 배출할 수 있도록 로봇 디바이스를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
A method of operating a robotic device to which a tool is coupled, the method comprising:
limiting the tool to a virtual control object by the robotic device;
detecting a force applied to the tool in an approximately predetermined direction;
determining whether a force in an approximately predetermined direction exceeds a threshold force; and
responsive to determining that the force in the approximately predetermined direction exceeds the threshold force, controlling the robotic device such that the tool ejects the virtual control object.
제40항에 있어서, 미리 결정된 방향은 가상 제어 대상의 축과 직교하는 방법.41. The method of claim 40, wherein the predetermined direction is orthogonal to an axis of the virtual control object.
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